导图社区 毒理学11神经与行为毒理学
本图介绍了神经毒性作用机制、神经毒性的研究方法与评价、环境毒素与神经退行性疾病,希望对大家有帮助!
编辑于2024-02-29 21:48:02毒理学11神经与行为毒理学
思考题
1.试述神经毒理学与行为毒理学区别与联系?
2.神经毒作用有哪些特点?请举例说明?
3.有哪些技术或方法可无创性地获得脑解剖、功能或脑内生化、能量代谢信息?请举例说明。
一、概述
神经毒性
是指外源性的物理、化学或生物因素引起的生物体神经系统功能或结构损伤的能力。
神经毒理学(neurotoxicology)
是研究神经毒物作用于神经系统后所引起的功能性或器质性损害作用及作用特点、机理、临床表现和防治的一门学科。
行为毒理学(behavioral toxicology)
是运用心理学、行为科学和神经生理学方法,研究外源化学物对神经行为功能影响的学科,是行为医学的一个分支学科。
复习
神经系统的构成
中枢神经系统
脑分为端脑、间脑、小脑和脑干四部分,大脑还分为脊左右两个半球, 分别管理人体不同的部位。
髓主要是传导通路,能把外界的刺激及时传递到脑,然后再把脑发出的命令及时传递到周围器官,起到了上通下达的桥梁作用。
周围神经系统
脑神经,12对,主要支配头面部器官的感觉和运动。
脊神经,31对,主要支配身体的感觉、运动和反射。
植物神经也称内脏神经,主要分布于内脏、心血管和腺体。心跳、呼吸和消化活动都受它的调节。
神经系统的基本结构
解剖、生理与毒理学有关的特点
损伤NS可影响其它脏器,如偏瘫
CNS耗氧量较高,对缺血缺氧敏感
神经递质易成为神经毒物的靶部位
NS自身的结构特点,如血脑屏障
神经元再生能力差
一、神经毒物的分类
1、金属类
重金属及其化合物
铅、汞、砷、镉
非必需金属及其化合物
铝、铊、镍
必需金属及其化合物
铜、铁、镁、钴
2、溶剂类
脂肪烃类
烷烃、烯烃、炔烃、汽油
脂环烃类
松节油、环丙烷、正己烷
芳香烃类
苯乙烯、苯、甲苯、二甲苯
卤化物
四氯化碳、氯仿、三氯乙烯
醇类
乙醇、甲醇、异丙醇、乙二醇
酚类
甲酚、六氯酚
其他
甲醛、丙酮、丙烯酰胺、苯胺
3、气体、农药、药物及天然毒素类
气体类
CO、HCN、H₂S、CS2、NH3
农药类
有机磷、拟除虫菊酯、有机氯
药物类
地西洋、长春新碱、链霉素
天然毒素类
蛇毒、蝎毒、蓖麻子蛋白
按毒作用靶器官
神经细胞毒物
汞、锰、铝、铅
神经髓鞘毒物
六氯酚、三甲基锡、锑
神经轴索毒物
正己烷、CS2、长春新碱
神经递质毒物
尼古丁、有机磷农药
二、神经系统损伤分类
1、器质性损害
缺氧性损害
毒物特异性损害
中枢神经系统特异性损害(锰)
周围神经系统特异性损害(铅)
中枢周围混合型损伤(汞)
2、功能性损害
感觉功能紊乱(铅中毒)
运动功能紊乱(锰中毒)
综合功能紊乱
网状结构损害
导致意识丧失(吸入麻醉剂)
基底节损害
语言、吞咽、步态等运动障碍(锰中毒)
边缘系统损害
情绪易变等精神障碍(铅中毒)
大脑皮层损害
行为缺陷与病变范围、程度成正比
3、行为性损害
是CNS的综合功能改变如汞中毒、儿童铅中毒
精神活动改变如抽象思维,出现精神或行为障碍
大脑皮层、边缘系统改变,导致情绪性格改变
三、神经毒作用的特点
1选择性
2易损性
3耐受性
4神经元受损不能再生
5神经毒性反应呈渐进性发展
6不同剂量毒物对神经系统反应不同
7化学物的联合作用
二、神经毒性作用机制
一、神经递质与神经毒性
常见的神经递质
乙酰胆碱
去甲肾上腺素
多巴胺
5-羟色胺
y - 氨基丁酸 (GABA)
谷氨酸
甘氨酸
一、神经递质代谢紊乱
有机磷农药抑制AChE活性
锰中毒使DA和5-羟色胺含量减少
锰是一种拟胆碱样物质,影响ChE合成
二、妨碍囊泡神经递质的正常活动
干扰神经递质环节
干扰神经递质合成(氨)
影响囊泡中神经递质的储存或释放(利血平)
影响神经递质灭活或清除(有机磷农药)
干扰和阻断神经递质与受体作用(阿托品)
毒物本身直接与受体结合(毒蘑菇)
举例
黑寡妇毒素使囊泡内神经递质暴发性释放致神经末梢受损
酒精阻碍儿茶酚胺类递质的释放、吸收和代谢
肉毒毒素阻断神经肌肉接头处ACh释放
破伤风毒素阻断脊髓抑制性神经元释放氨基酸递质
二、通道与神经毒性
通道:
是一种跨膜蛋白,允许适当大小分子和带电荷离子顺梯度通过,又称离子通道
特性
选择性;门控性
类型
电压门控性;配体门控性
Na+通道
河豚毒素
阻断Na+通道电导升高,破坏动作电位生成
拟除虫菊酯类杀虫剂和DDT
引起神经元电压门控Na*通道关闭延迟,神经元持续去极化造成NS过度兴奋
普鲁卡因和可卡因
对Na+通道和K*通道均有阻断作用
Ca2+通道
神经和肌肉活动中发挥重要作用
是神经毒物潜在靶部位
电压依赖性Ca²+通道(VDCC)
T-、L-、N-和P-型
神经毒物
有选择性和非选择性阻断物
例子(没讲?)
胺菊酯
阻断神经细胞瘤和窦房结细胞T-型VDCCs
铅
一种较强的N-型Ca2+通道非选择性阻断物
辛醇
在神经母细胞瘤细胞阻断T型和L型VDCCs
乙醇、Cd2+和Ni2+
非特异性地阻断T型VDCCs
苯巴比妥类药物、乙醇能非选择性地阻断L型VDCCs
N型VDCCs能特异地被ω-芋螺毒素阻断
三、受体、信号传导与神经毒性
毒物与受体间相互作用
模拟内源性配基,引起激动剂样作用
结合受体,不引起激活效应,而阻断内源性配基
毒物对受体产生变构效应,影响受体与递质结合
例子
兴奋性AA (EAAs) 是CNS兴奋性递质,以谷氨酸(Glu)和天门冬氨酸(Asp) 为主
Glu及受体与学习、记忆形成机制密切,影响认知功能
毒作用与细胞内Na+、CI-、H2O、Ca2+超载、氧自由基、 NO的介导有关,促发多种急慢性脑损伤发生
信号传导与神经毒性
四、神经胶质细胞与神经毒性
神经胶质细胞种类和功能
星形胶质细胞
神经元支持、营养功能
少突胶质细胞
构成中枢神经纤维髓鞘
小胶质细胞
吞噬功能
施旺氏细胞
构成外周神经纤维髓鞘
功能
保护性作用
促进作用
CNS与免疫系统联系作用
其他
五、细胞骨架与神经毒性
细胞骨架基本概念
是一种纤维状蛋白基质
分类
微管、微丝、中间纤维
主要功能
维持细胞形状、结构,物质运输,细胞运动,信息传递,细胞分裂
细胞骨架
是轴浆运输的结构成分和一个易感位点
秋水仙素可阻止微管形成
有机磷化合物引起迟发性神经毒性后,可观察到肿胀轴突内有神经丝、微管聚集、滑面内质网增生和空泡形成,此后部分神经丝呈簇状和消失
六、神经系统对外源化学物的毒性反应
1、神经元病变(neuronopathies)
间接作用: 化学物质导致缺氧
巴比妥酸盐类:中枢神经系统抑制剂
氰化物抑制细胞色素氧化酶致能量代谢障碍
直接作用:神经元胞体(甲基汞、农药)
2、髓鞘病变(axonopathies)
髓鞘起绝缘体作用,消失致神经冲动传导减慢或异常
脱随鞘::毒物作用于髓鞘,使髓鞘发生水肿致隨鞘板分离,在某些部位产生髓鞘丢失的病理改变。
3、轴突病变(myelinopathies)
直接作用轴突,轴突变性,髓鞘消失,细胞存活
CNS轴突变性不能再生,外周NS轴突损伤可再生
外周神经元病变常见:末端感觉异常和运动能力下降
致轴突病变物::CS2、正己烷、三氯乙烯、丙烯酰胺
4、与神经传导有关的毒性作用(神经递质系统损伤)
毒物不引起NS结构变化,表现为精神行为异常
机制:改变神经递质质及量、合成酶或影响其重摄取
尼古丁结合胆碱能受体:心跳↑、血压↑、血管收缩
谷氨酸与受体结合导致神经元细胞的肿胀甚至死亡
5、迟发性神经毒性
6、慢性退行性神经病变
三、神经毒性的研究方法与评价
神经毒性研究方法
1、神经行为学方法
单一测试方法和组合成套实验应用于筛选神经毒物及职业人群早期监护
行为是神经生理、化学功能综合性反映和体现,行为异常提示神经毒性
2、神经电生理学方法
已广泛用于实验和临床研究
主要用于评价感觉和运动神经的传导速度、神经肌肉功能、中枢感觉投射、脑电改变。
通过神经传导速度和幅度评价外周神经功能
针电极记录肌电图,评价神经肌肉一般功能
记录听、视和躯体受刺诱发反应评价感觉功能
用膜片钳技术(可测细胞膜电位变化)检测离体单个神经细胞电活动
心电图、脑电图
3、神经化学方法
不同脑区解剖生理和功能不一,很少有理想生化方法能全面检测所有的功能区。
为准确反映NS功能,必须采用特殊方法作体内研究,如微透析、核磁共振等。
糖代谢过程中涉及的酶系统
蛋白质合成
髓鞘成分
神经系统特殊位点的神经递质水平
用促效剂和拮抗剂观察递质受体结合情况(临床少用)
4、神经病理学方法
确认神经损害及其病变程度的重要手段和经典方法
一般首先进行肉眼观察,辅以绝对和相对的脑重量
光学显微镜观察基本病变,确定病区,再作电镜
确定损伤定位及其作用特点,后者需做免疫组化和电镜
5、神经影像学方法
磁共振成像
氢质子磁共振波谱
6、体外神经毒理学方法
最常见是从动物体分离出神经细胞、在尽量模拟体内环境的体外条件下,使神经细胞保持存活、增殖、发育和分化功能。
神经行为功能测试的特点
机体低剂量反复接触及停止接触后分别测试
方法敏感,主要测定亚临床表现
可定量测定
具有相对特异性
可检测感觉、运动及认知功能
必须采用成组的行为试验
一、建立动物模型
原则上选择与人类更接近的、易获得、经济的动物(大鼠和小鼠)。但针对动物对化学物质敏感性问题,则不同,如杀虫剂用啮齿类动物不能检测出其毒性,但小鸡可以发现其神经毒性。
建立模拟人体神经系统病变的动物模型,与已知或未知的神经毒物进行比较研究,对于阐明中毒机制、寻找药物防治具有十分重要的意义。
动物神经系统疾病模型
帕金森病
MPTP (1-甲基-4-丙基-氧化哌啶)
迟发型神经病
迟发型神经病鸡模型
二、行为毒理学研究方法
行为毒理学功能测试方法
1、功能性观察组合
活动度
步态姿势特征
惊愕反应
2、操作性测试试验
神经反射
瞳孔、眼睑、耳翼、伸肌
神经肌肉功能测试和姿势反射
握力实验、足张开着地和翻正实验
感觉反应
视、听、嗅、触、摸、夹尾等
3、学习和记忆功能测试
小鼠Y型迷宫实验
小鼠避暗实验
小鼠跳台实验
反射臂迷宫实验
T型迷宫实验
水迷宫实验
Morris水迷宫
可自动识别动物在水迷宫内运动轨迹
强迫动物游泳,寻找隐藏水中平台实验
测试对空间位置和方向觉学习记忆能力
4、感觉运动功能测试
转棒实验
游泳实验
抑郁症模型
大鼠打到小鼠抑郁,把小鼠放水里不游(轻生)
足展开实验
倒挂网格实验
小鼠倒挂,评估倒挂时间
痛觉测定
三、人类行为功能测试
1、运动功能试验
手提转速度试验
简单反应时间试验
目标瞄准追击试验
2、识别功能试验
3、神经行为功能试验组合
神经行为功能试验组合原则
现场可使用
便于携带
测试方法易掌握
适用化合物多,结果可信度高
NES方法
NES测试组合 (Neurobehavioral Evaluation System)
标准化、高效率、准确、客观、可定量
重现性较稳定
设备携带不方便
项目过多,测试时间过长
NES方法测试程序
试前问卷
性别、年龄、文化程度、既往健康状况、工作经历及接触何种化学物、目前及过去生活习惯、职业、家庭经济状况、目前有何不适、试前一日睡眠状况、服药、饮酒和有无情绪波动。
正式测试
严格按顺序测试
NES方法局限性
无正常值界限
只适于成组比较,不适于评价个体
特异性较差
各测试组合之间不能完全代替
NES方法影响因素
年龄
影响手部操作、手部运动速度及准确性、眼手协调能力
文化程度
视感知、短期记忆
四、环境毒素与神经退行性疾病
环境毒素:神经退行性疾病的危险因素
随着世界人口老龄化和生育率下降,导致“社会人口减少和老龄化”,预计神经退行性疾病的发病率将比现在更加普遍。
在全球范围内,65岁以上的人群是增长最快的部分人口:2019年,人类历史上首次超过5岁以下儿童。仅在美国,阿尔茨海默病的发病率到2050 年就可能翻番,从今天的580万增加到1380万。中国拥有世界上帕金森病患者人数最多,预计到2030年将增至500万。
虽然遗传学具有已知的致病作用,但研究人员一致认为,环境风险因素也可以在加速疾病的发生和发展方面发挥关键作用。
神经退行性疾病是复杂的、多因素的,包括多种疾病,每种疾病都有不同的病理模式、临床表现和根本原因。关于最常见的神经退行性疾病,阿尔茨海默病(AD)和帕金森病(PD),研究最严格的环境暴露是重金属和杀虫剂。
阿尔茨海默病、痴呆症和重金属
在全球范围内,大约有5000万人患有痴呆症,预计到2050年这一数字将达到1.52亿,部分归因于环境因素。
铅、镉和锰等重金属被广泛使用,并可能通过增加神经元氧化应激、炎症和细胞凋亡而导致AD病理。
尽管美国立法努力尽量减少铅暴露,但这种重金属仍用于工业应用,包括汽车铅酸蓄电池。
铅暴露源往往因地理位置而异;然而,总体而言,全球高铅水平与电子废物回收、铅开采和冶炼有关,主要接触途径是吸入或摄入。
尤其令人担忧的是儿童接触铅,这会增加身体负担,因为儿童频繁的手对口行为导致经常摄入铅尘。研究表明,早年或中年铅暴露可能与认知能力下降的速度更快。接触铅(产前或产后)的动物在以后的生活中会出现记忆障碍和认知能力下降。