生物標(biāo)志物在危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)中的

1、生物標(biāo)志物在危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)中的應(yīng)用Applications of Biomakers in the Risk Assessment 生物標(biāo)志物概述 1987年美國(guó)國(guó)家科學(xué)院首先將生物標(biāo)志物定義為由生物體或樣品可測(cè)出由外來(lái)化合物導(dǎo)致的細(xì)胞學(xué)或生物化學(xué)組份或過(guò)程、以及結(jié)構(gòu)或功能的變化。 最初只是將耐污的生物物種稱為指示生物(Indicator species或Bioindicator)，隨著污染生態(tài)學(xué)的野外研究和實(shí)驗(yàn)室毒性試驗(yàn)研究，逐漸將生物指示物的應(yīng)用范圍擴(kuò)大至污染生態(tài)學(xué)的不同生物學(xué)組織層次，小至分子水平，大至生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能，包括發(fā)生在分子、生物化學(xué)、生理、病理組織、生物個(gè)體、種群、群落和生態(tài)系

2、統(tǒng)等不同生物學(xué)組織水平上的生物學(xué)效應(yīng)，從生物學(xué)的角度為環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)提供依據(jù)。 1 生物標(biāo)志物的定義 生物標(biāo)志物是生物體受到嚴(yán)重?fù)p害之前，在分子、細(xì)胞、個(gè)體或種群水平上因受環(huán)境污染物影響而產(chǎn)生異常變化的信號(hào)指標(biāo)。一種標(biāo)志物應(yīng)能敏感有效地反映出生物體發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷之前的生物變化，并能準(zhǔn)確評(píng)估生物體所處的污染狀態(tài)及其潛在危害，為環(huán)境污染提供早期警報(bào)。 2 生物標(biāo)志物的分類 各種生物標(biāo)志物按其功能，一般可分為三類 。 暴露生物標(biāo)志物(Biomarkers of exposure) 反應(yīng)或毒性效應(yīng)生物標(biāo)志物(Biomarkers of responser or toxic effect) 易感性生

3、物標(biāo)志(Biomarkers of susceptibility)。2.1 暴露生物標(biāo)志物 暴露生物標(biāo)志物指示機(jī)體經(jīng)化學(xué)品的暴露，即污染物引起的物體的反應(yīng)，如指示對(duì)重金屬暴露的金屬硫蛋自(MTs)，但此類標(biāo)志物不能指示污染物的毒性效應(yīng)，有助于研究生物對(duì)化學(xué)分析方法很難檢測(cè)到的的環(huán)境中的不穩(wěn)定化合物的暴露。暴露生物標(biāo)志物一般依靠測(cè)定體液和組織中特定化學(xué)物質(zhì)或者其代謝物，或者與生物分子相互作用形成的產(chǎn)物。 22反應(yīng)或毒性效應(yīng)生物標(biāo)志物 效應(yīng)標(biāo)志物是指在一定的環(huán)境暴露作用下，生物體產(chǎn)生相應(yīng)的可測(cè)定的生理生化變化或其它病理方面的改變，即指示污染物對(duì)生物體健康狀況的損害效應(yīng)。如指示DNA損傷的DNA加合

4、物，它可能是生物機(jī)體中某一內(nèi)源性成分或測(cè)定機(jī)體功能容量，產(chǎn)生疾病或障礙的改變等。 確定化學(xué)物質(zhì)的生物學(xué)效應(yīng)的生物標(biāo)志物很多，從最簡(jiǎn)單的標(biāo)志物如監(jiān)測(cè)體重變化至復(fù)雜的標(biāo)志物如采用免疫化學(xué)技術(shù)測(cè)定特定同功酶。酶活性抑制持久，因此，可作為重要的效應(yīng)生物標(biāo)志物。 2.3 易感性生物標(biāo)志物 易感性標(biāo)志物是指當(dāng)生物體暴露于某種特定的外源化合物時(shí)，由于其先天遺傳性或后天獲得性缺陷而反映出其反應(yīng)能力的一類生物標(biāo)志物，可指示生物個(gè)體對(duì)污染物的敏感性。在污染物與生物體相互作用過(guò)程中，機(jī)體因素是很重要的，性質(zhì)與劑量相同的污染物對(duì)不同的個(gè)體可能出現(xiàn)迥然不同的反應(yīng)，這取決于受作用個(gè)體的敏感性一。 一般地各個(gè)層次的生物組織

5、，小到微觀分子，大到生態(tài)系統(tǒng)，在污染物的作用下，都有各自相對(duì)應(yīng)的污染效應(yīng)及相應(yīng)的生物標(biāo)志物。如水藻的種類、數(shù)量、結(jié)構(gòu)等可以指示水體污染程度。但生物標(biāo)志物的研究多集中于分子或細(xì)胞水平，種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)層次上的生物標(biāo)志物正處于研究的初始階段。 3 生物標(biāo)志物的特征 3.1 特異性 對(duì)特定有機(jī)污染物或重金屬的暴露，有特定生物標(biāo)志物。因此這些標(biāo)志物對(duì)污染狀況具備診斷作用。進(jìn)一步了解相應(yīng)的分子反應(yīng)，并與更高層次的生態(tài)危害建立關(guān)聯(lián)，生物標(biāo)志物便可提供專一性的預(yù)報(bào)功能。 3.2 預(yù)警作用 污染物與生物體之間所有的相互作用都始于分子水平。生物標(biāo)志物的產(chǎn)生是對(duì)污染物暴露的早期反應(yīng)，因此這類標(biāo)志物成了污染物暴

6、露和毒性效應(yīng)早期警報(bào)的指示物。 3.3 廣泛性 從微觀分子到宏觀生態(tài)系統(tǒng)，生物標(biāo)志物在各個(gè)不同層次的生物組織上體現(xiàn)著污染物和生物之間的因果關(guān)系。 一般來(lái)說(shuō)生物體之間的共性在分子水平上最大，所以許多分子生物標(biāo)志物，可廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究，也可用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)。而污染物的毒性活體鑒定則有難度。 4 生物標(biāo)志物的優(yōu)勢(shì) 與其他方法相比，生物標(biāo)志物的最大區(qū)別在于可以確定污染物與生物體之間已發(fā)生的相互作用。 與其他方法相比，生物標(biāo)志物的優(yōu)勢(shì)主要有一下7大優(yōu)勢(shì)。 4.1 污染的時(shí)空分布 能夠了解生物有效性的污染物質(zhì)在時(shí)間和空間上的累積效應(yīng)，而不是像化學(xué)分析難以擺脫抽驗(yàn)的屬性。故不容易因異常天氣狀況或工廠間歇

7、排放帶來(lái)監(jiān)測(cè)結(jié)果的顯著變異。 4.2 可用于因果關(guān)系研究 可確定環(huán)境污染物與暴露和風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)生物反應(yīng)的特異性，從機(jī)理上了解對(duì)生物體的危害性影響，建立因果關(guān)系，這對(duì)于處理環(huán)境事件時(shí)澄清法律責(zé)任是至關(guān)重要的。 4.3 可用于暴露途徑研究 應(yīng)用于不同生活環(huán)境或不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)的物種，可以揭示污染物的不同暴露途徑，這將有益于確定監(jiān)測(cè)方案的優(yōu)先次序，并為采取何種干預(yù)和補(bǔ)救措施提供科學(xué)依據(jù)。4.4 解決毒理學(xué)的某些限制 毒性活體鑒定法雖然反映了特定污染物的相對(duì)毒性，但很難將實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)外推至野外的條件。許多影響因素，如化學(xué)形態(tài)、吸附吸收、污染物在食物鏈上的富集以及毒性作用的亞致死效應(yīng)等等，無(wú)法在短期試驗(yàn)

8、中測(cè)定。而應(yīng)用生物標(biāo)志物可以部分地解決上述問題。 4.5 可提示易分解污染物的暴露和毒性 對(duì)應(yīng)在環(huán)境中易代謝、去除的污染物，如有機(jī)磷化合物，生物標(biāo)志物能同時(shí)指示母體化合物和代謝產(chǎn)物的暴露和毒性效應(yīng)。 4.6 污染物聯(lián)合作用的研究 能夠表現(xiàn)混合污染物之間相互作用的累積效應(yīng)。 4.7 預(yù)測(cè)危害 將不同層次生物組織(從分子到種群、群落)所采用的一系列測(cè)定和研究加以整合，通過(guò)生物標(biāo)志物的短期變化就有可能預(yù)測(cè)污染物長(zhǎng)期的生態(tài)效應(yīng)。生物標(biāo)志物在環(huán)境危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)中的應(yīng)用 1 選擇生物標(biāo)志物的原則 選擇的生物標(biāo)志物必須具有一定的特異性、穩(wěn)定性和足夠的靈敏度，所選標(biāo)志物的水平與外接觸水平要有劑量一反應(yīng)關(guān)系，在無(wú)害

9、效應(yīng)接觸水平下仍能維持這種關(guān)系并且分析的重復(fù)性及個(gè)體差異都在可接受的范圍內(nèi)。此外取樣時(shí)最好對(duì)人體無(wú)損生，能為受試者所接受。 2 生物標(biāo)志物常用測(cè)定方法 21 32P一后標(biāo)記法32P一后標(biāo)記法是分析DNA加合物的方法，越來(lái)越普遍，該方法包括以下幾個(gè)步驟：(1)DNA酶解酶解成脫氧核苷一3一磷酸；(2)加人核酸酶，使正常單核苷酸的3端去去磷酸化磷酸化，而加合的單核昔酸可抵制該作用；(3)用32PATP和多聚核苷酸酶標(biāo)記加合物核苷酸以產(chǎn)生脫氧核苷- 3，5一二磷酸；(4)分別經(jīng)過(guò)高分辨率的薄層層析進(jìn)行分離分析，使加合物和正常核酸分離，并用放射自顯影繪制加合物顯影圖或液閃定量。此法靈敏度高，需要的DN

10、A少，且不需事先知道加合物的組成。 22 免疫學(xué)方法 目前最常用的免疫學(xué)方法包括放射免疫學(xué)方法(RIA)、酶聯(lián)免疫吸附法(ELISA)和超敏感酶放射免疫法(USERA)。USERIA比ELISA更加靈敏。目前很多靈敏的免疫學(xué)方法能檢測(cè)到特殊的加合物。免疫學(xué)方法在處理大量的樣品時(shí)具有簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。 23 色譜質(zhì)譜法 質(zhì)譜與氣（液）相色譜的聯(lián)用是目前靈敏度很高的分析技術(shù)。2.4 熒光法 一些污染物可誘導(dǎo)生物體內(nèi)某種酶活性的改變，該酶可能會(huì)促使其特異性反應(yīng)發(fā)生而產(chǎn)生熒光性物質(zhì)，通過(guò)測(cè)定其熒光強(qiáng)度就可以定量檢測(cè)這些異生物質(zhì)的種類和濃度。常用技術(shù)有同步熒光法、低溫激光法和激發(fā)一發(fā)射熒光法等。 3 常

11、用的一些生物標(biāo)志物 31重金屬的生物標(biāo)志物 311金屬硫蛋白(MTs) MTs為富含半胱氨酸的低分子量蛋白質(zhì)，具有調(diào)節(jié)內(nèi)源性金屬平衡、對(duì)重金屬污染物解毒、清除自由基和參與某些應(yīng)激反應(yīng)的作用，對(duì)于重金屬脅迫具有特異性，其作為重金屬尤其是暴露的生物標(biāo)志物已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。 312抗氧化酶類 抗氧化酶類主要有超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽還原酶(GR)。重金屬離子影響或阻斷呼吸鏈、電子傳遞鏈、酶促反應(yīng)等體內(nèi)正常生理代謝，導(dǎo)致活性氧自由基增加，從而誘導(dǎo)抗氧化酶類活性增加，故抗氧化酶類也被用作重金屬污染的生物標(biāo)志物。 313外周血清轉(zhuǎn)氨酶 重金屬元素沉積于動(dòng)物肝臟會(huì)損傷肝臟細(xì)

12、胞，使肝臟中轉(zhuǎn)氨酶釋放進(jìn)入血液，從而外周血清轉(zhuǎn)氨酶活性升高。外周血清轉(zhuǎn)氨酶是肝臟細(xì)胞損傷的重要標(biāo)志，是一種非特異性生物標(biāo)志物，除重金屬外，有機(jī)污染物也會(huì)引起其活性的升高。 314免疫標(biāo)志物 研究表明，生命非必需的元素如cd、Pb、Hg的暴露均抑制動(dòng)物免疫功能，而免疫抑制和生物體抗性的下降之間有很好的相關(guān)性。但重金屬也具有免疫刺激作用，從而產(chǎn)生自體免疫響應(yīng)或自體免疫疾病，如cd和Hg的慢性暴露可以引起免疫介導(dǎo)的腎小球性腎炎。 32有機(jī)磷農(nóng)藥的生物標(biāo)志物 321 膽堿酯酶(ChE) 膽堿酯酶是神經(jīng)毒性物質(zhì)如有機(jī)磷農(nóng)藥和氨基甲酸酯農(nóng)藥的敏感指標(biāo)。其中最突出的就是乙酰膽堿酯酶(ACHE)。乙酰膽堿酯酶

13、主要參與突觸的信息傳遞，目前已被廣泛用作有機(jī)磷農(nóng)藥極性接觸的效應(yīng)生物標(biāo)志物。 322 對(duì)氧磷酶 對(duì)氧磷酶不僅能水解對(duì)氧磷，還可水解其它有機(jī)磷酸酯、許多芳香族羧酸酯和氨基甲酸酯等，是有機(jī)磷農(nóng)藥生物檢測(cè)的易感性生物標(biāo)志物。 323 烷基磷酸酯 大多數(shù)有機(jī)磷農(nóng)藥可在體內(nèi)代謝成為一種及一種以上的二烷基磷酸酯。這些產(chǎn)物通?？稍诮佑|后24-48h內(nèi)在尿中出現(xiàn)，可作為有機(jī)磷農(nóng)藥的生物檢測(cè)的暴露標(biāo)志物。烷基磷酸酯近期和低水平接觸較敏感，但分析復(fù)雜。 4 吸煙者的生物標(biāo)志物 煙堿的代謝產(chǎn)物3一羥基甲基可替寧，是目前使用最廣泛的用于評(píng)估主動(dòng)和被動(dòng)吸煙中煙氣感受的生物標(biāo)志物。煙草特有亞硝胺及其代謝物 研究最多的煙草