生物標志物在危險度評價中的

1、生物標志物在危險度評價中的應用Applications of Biomakers in the Risk Assessment 生物標志物概述 1987年美國國家科學院首先將生物標志物定義為由生物體或樣品可測出由外來化合物導致的細胞學或生物化學組份或過程、以及結構或功能的變化。 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)學的野外研究和實驗室毒性試驗研究，逐漸將生物指示物的應用范圍擴大至污染生態(tài)學的不同生物學組織層次，小至分子水平，大至生態(tài)系統(tǒng)結構與功能，包括發(fā)生在分子、生物化學、生理、病理組織、生物個體、種群、群落和生態(tài)系

2、統(tǒng)等不同生物學組織水平上的生物學效應，從生物學的角度為環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測和評價提供依據(jù)。 1 生物標志物的定義 生物標志物是生物體受到嚴重損害之前，在分子、細胞、個體或種群水平上因受環(huán)境污染物影響而產(chǎn)生異常變化的信號指標。一種標志物應能敏感有效地反映出生物體發(fā)生嚴重損傷之前的生物變化，并能準確評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。 2 生物標志物的分類 各種生物標志物按其功能，一般可分為三類 。 暴露生物標志物(Biomarkers of exposure) 反應或毒性效應生物標志物(Biomarkers of responser or toxic effect) 易感性生

3、物標志(Biomarkers of susceptibility)。2.1 暴露生物標志物 暴露生物標志物指示機體經(jīng)化學品的暴露，即污染物引起的物體的反應，如指示對重金屬暴露的金屬硫蛋自(MTs)，但此類標志物不能指示污染物的毒性效應，有助于研究生物對化學分析方法很難檢測到的的環(huán)境中的不穩(wěn)定化合物的暴露。暴露生物標志物一般依靠測定體液和組織中特定化學物質(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反應或毒性效應生物標志物 效應標志物是指在一定的環(huán)境暴露作用下，生物體產(chǎn)生相應的可測定的生理生化變化或其它病理方面的改變，即指示污染物對生物體健康狀況的損害效應。如指示DNA損傷的DNA加合

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

5、，小到微觀分子，大到生態(tài)系統(tǒng)，在污染物的作用下，都有各自相對應的污染效應及相應的生物標志物。如水藻的種類、數(shù)量、結構等可以指示水體污染程度。但生物標志物的研究多集中于分子或細胞水平，種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)層次上的生物標志物正處于研究的初始階段。 3 生物標志物的特征 3.1 特異性 對特定有機污染物或重金屬的暴露，有特定生物標志物。因此這些標志物對污染狀況具備診斷作用。進一步了解相應的分子反應，并與更高層次的生態(tài)危害建立關聯(lián)，生物標志物便可提供專一性的預報功能。 3.2 預警作用 污染物與生物體之間所有的相互作用都始于分子水平。生物標志物的產(chǎn)生是對污染物暴露的早期反應，因此這類標志物成了污染物暴

6、露和毒性效應早期警報的指示物。 3.3 廣泛性 從微觀分子到宏觀生態(tài)系統(tǒng)，生物標志物在各個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系。 一般來說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志物，可廣泛應用于實驗室研究，也可用于現(xiàn)場實際監(jiān)測。而污染物的毒性活體鑒定則有難度。 4 生物標志物的優(yōu)勢 與其他方法相比，生物標志物的最大區(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，生物標志物的優(yōu)勢主要有一下7大優(yōu)勢。 4.1 污染的時空分布 能夠了解生物有效性的污染物質(zhì)在時間和空間上的累積效應，而不是像化學分析難以擺脫抽驗的屬性。故不容易因異常天氣狀況或工廠間歇

7、排放帶來監(jiān)測結果的顯著變異。 4.2 可用于因果關系研究 可確定環(huán)境污染物與暴露和風險的對應關系。通過生物反應的特異性，從機理上了解對生物體的危害性影響，建立因果關系，這對于處理環(huán)境事件時澄清法律責任是至關重要的。 4.3 可用于暴露途徑研究 應用于不同生活環(huán)境或不同營養(yǎng)級的物種，可以揭示污染物的不同暴露途徑，這將有益于確定監(jiān)測方案的優(yōu)先次序，并為采取何種干預和補救措施提供科學依據(jù)。4.4 解決毒理學的某些限制 毒性活體鑒定法雖然反映了特定污染物的相對毒性，但很難將實驗室數(shù)據(jù)外推至野外的條件。許多影響因素，如化學形態(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等等，無法在短期試驗

8、中測定。而應用生物標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 對應在環(huán)境中易代謝、去除的污染物，如有機磷化合物，生物標志物能同時指示母體化合物和代謝產(chǎn)物的暴露和毒性效應。 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。 4.7 預測危害 將不同層次生物組織(從分子到種群、群落)所采用的一系列測定和研究加以整合，通過生物標志物的短期變化就有可能預測污染物長期的生態(tài)效應。生物標志物在環(huán)境危險度評價中的應用 1 選擇生物標志物的原則 選擇的生物標志物必須具有一定的特異性、穩(wěn)定性和足夠的靈敏度，所選標志物的水平與外接觸水平要有劑量一反應關系，在無害

9、效應接觸水平下仍能維持這種關系并且分析的重復性及個體差異都在可接受的范圍內(nèi)。此外取樣時最好對人體無損生，能為受試者所接受。 2 生物標志物常用測定方法 21 32P一后標記法32P一后標記法是分析DNA加合物的方法，越來越普遍，該方法包括以下幾個步驟：(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)過高分辨率的薄層層析進行分離分析，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 免疫學方法 目前最常用的免疫學方法包括放射免疫學方法(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方法能檢測到特殊的加合物。免疫學方法在處理大量的樣品時具有簡便、經(jīng)濟的優(yōu)點。 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。2.4 熒光法 一些污染物可誘導生物體內(nèi)某種酶活性的改變，該酶可能會促使其特異性反應發(fā)生而產(chǎn)生熒光性物質(zhì)，通過測定其熒光強度就可以定量檢測這些異生物質(zhì)的種類和濃度。常用技術有同步熒光法、低溫激光法和激發(fā)一發(fā)射熒光法等。 3 常

11、用的一些生物標志物 31重金屬的生物標志物 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、對重金屬污染物解毒、清除自由基和參與某些應激反應的作用，對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志物已經(jīng)得到廣泛的應用。 312抗氧化酶類 抗氧化酶類主要有超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(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、酶促反應等體內(nèi)正常生理代謝，導致活性氧自由基增加，從而誘導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志物。 313外周血清轉氨酶 重金屬元素沉積于動物肝臟會損傷肝臟細

12、胞，使肝臟中轉氨酶釋放進入血液，從而外周血清轉氨酶活性升高。外周血清轉氨酶是肝臟細胞損傷的重要標志，是一種非特異性生物標志物，除重金屬外，有機污染物也會引起其活性的升高。 314免疫標志物 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)生自體免疫響應或自體免疫疾病，如cd和Hg的慢性暴露可以引起免疫介導的腎小球性腎炎。 32有機磷農(nóng)藥的生物標志物 321 膽堿酯酶(ChE) 膽堿酯酶是神經(jīng)毒性物質(zhì)如有機磷農(nóng)藥和氨基甲酸酯農(nóng)藥的敏感指標。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磷農(nóng)藥極性接觸的效應生物標志物。 322 對氧磷酶 對氧磷酶不僅能水解對氧磷，還可水解其它有機磷酸酯、許多芳香族羧酸酯和氨基甲酸酯等，是有機磷農(nóng)藥生物檢測的易感性生物標志物。 323 烷基磷酸酯 大多數(shù)有機磷農(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)，可作為有機磷農(nóng)藥的生物檢測的暴露標志物。烷基磷酸酯近期和低水平接觸較敏感，但分析復雜。 4 吸煙者的生物標志物 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估主動和被動吸煙中煙氣感受的生物標志物。煙草特有亞硝胺及其代謝物 研究最多的煙草