Developmental Toxicology Cao Yi Section of Toxicology

Basic conception Terotagenesis: Production of visually detectable birth defects Developmental Toxicity: any adverse effect of toxicant on a developing organism, especially a embryonic organism. Teratogen: A teratogen significantly increase the occurrence of structural or functional abnormalities in offspring when given to either parent before conception, the female during pregnancy, or directly to the developing organism, without producing severe toxicity to exposed parent.

The three basic types of developmental toxicity Embryolethality Failure to conceive, spontaneous abortion or still birth Embryotoxicity Growth retardation or delayed growth of specific organ systems Teratogenecity Irreversible condition that leave permanent defects in live offspring

Chemicals cause developmental toxicity by two methods Act directly on cells of the embryo causing cell death or cell damage, leading to abnormal organ development. Induce a mutation in a parent’s germ cell which is transmitted to the fertilized ovum. Some mutated fertilized ova develop into abnormal embry

Mechanism of teratogenic action Cytotoxic agents affect via alternation in replication, transcription, translation and cell division. Effects on growth Non-specific developmental toxins Perturbation in marternal/plancental homeostasis

Effects depend on Embryo age Predifferentiation stage: Embryo relatively resistant. (prior to organogenesis) Embryonic stage: embryo extremely sensitive. (organogenesis) Fetal stage: fetus less sensitive. (differentiation, maturation, growth) Neonatal stage: still some sensitivity (carcinogenesis)

Reproductive toxicity tests Reproductive toxicity testing is intended to determine the effects of substances on gonadal function, conception, birth, and the growth and development of the offspring The oral route id preferred

Reproductive toxicity tests Species Rat is recommended Age Young adults Number of animals 20 of each sex per dose level Dosage Three dose levels recommended, highest dose should produce toxicity but not mortality in parents; lowest dose should not produce toxicity Observation period Test substance given to parental animals prior to mating ,during pregnancy and through weaning of F1 offspring; substance then given to selected F1 offspring during their growth into adulthood, mating, and production of an F2 generation, until the F2 generation is 21 days old

Developmental toxicity tests Developmental toxicity testing detects the potential for substances to produce embryotoxicity and birth defects.

发育毒性与致畸作用 第一节 概述 一、发育毒理学 二、从畸胎学到发育毒理学 第二节 发育毒性与致畸性 一、基本概念和发育毒性的终点 第一节 概述 一、发育毒理学 二、从畸胎学到发育毒理学 第二节 发育毒性与致畸性 一、基本概念和发育毒性的终点 二、发育各阶段发育毒性作用的特点 三、母体毒性与发育毒性 四、发育毒性的剂量－反应模式和阈值的概念 第三节 致畸（发育毒性）作用机制 第四节 发育毒性和致畸作用试验与评价 一、动物发育毒性试验 二、流行病学研究和人类的证据 三、发育毒性的替代试验

短肢畸胎照片

连体畸胎照片

唇裂畸胎照片

发育毒理学概述 发育毒理学（developmental toxicology) 研究发育生物体在受精卵、妊娠期、出生后直到性成熟的发育过程中，由于出生前接触导致异常发育的理化因素和环境条件后的发病机制和结果。 发育毒理学是在畸胎学基础上发展起来的毒理学分支。

发育毒理学的基本概念 畸形（malformation) 出生前因素引起发育生物体的严重的解剖学上形态结构的缺陷。 致畸性（teratogenicity) 在妊娠期（出生前）接触外源性理化因素引起后代结构畸形的特性 致畸物（teratogen) 在妊娠期接触能引起子代畸形的理化因素 变异（variation) 由遗传和遗传外因素控制的外观变化，或由于分化改变而引起的中途歧异（deviation） 胚胎毒性（embryotoxicity) 外源性理化因素造成的孕体着床前后直到器官形成期结束的所有毒性 胎儿毒性（fetoxicity) 器官形成期结束后的因素引发的任何毒性表现

发育毒理学的基本概念 发育毒性（developmental toxicity） 出生前经父体和（或）母体接触外源性理化因素引起的在子代达到成体之前出现的有害作用。包括：结构畸形、生长迟缓、功能障碍、死亡。 发育毒物（developmental toxicant） 能造成发育毒性的物质 出生缺陷（birth defect） 婴儿出生前已形成的发育障碍，包括畸形和功能缺陷。

发育各阶段毒性作用特点 －胎儿期 不同的发育毒物作用于不同的发育阶段 着床前期－器官形成期－胎儿期－围生期和出生后的发育期 着床前期 受精——完成着床。 细胞分化少，受化学毒物损伤后通常发生胚泡死亡，称着床前丢失（preimplantation loss)。 也有导致胎儿畸形的例子

发育各阶段毒性作用特点 －器官形成期 器官形成起为致畸作用敏感期。这一时期的发育毒性以结构畸形最为突出，也可引起胚胎死亡、流产、生长迟缓。 各个器官发育最旺盛的时期最敏感，称为靶窗（Target window). 发育

发育各阶段毒性作用特点 －胎儿期 器官形成结束（以硬腭闭合为标志）——直到分娩 胎儿期的发育特点：组织分化、生长、生理成熟 胎儿期的发育毒性作用： 全身生长迟缓、特异的功能障碍 （行为的、精神的、运动的缺陷和生殖力降低）、经胎盘致癌、偶见死胎、结构异常。

发育各阶段毒性作用特点 围生期和出生后的发育期 免疫毒性 妊娠期或围生期接触某些外源化合物，严重影响出生后T细胞、B细胞和吞噬细胞的发育、迁移、归巢和功能。可能暂时或永久地损伤机体的免疫系统 神经行为发育异常 儿童期肿瘤 围生期是一生中对致癌物最敏感的时期。细胞增值快、药代酶个体发生不全、免疫监视功能低。

母体毒性与发育毒性 母体毒性（maternal toxicity） 化学毒物对孕母产生的毒性作用，表现为增重减慢、功能异常、临床症状，甚至死亡。(注意：母体毒性和发育毒性的概念是不同的） 外源化学物可以通过对母体和胎盘的损伤间接地对孕体产生发育毒性。 能够产生发育毒性的母体毒性包括： a.遗传学 b.疾病 c.营养 d.应急 e.对胎盘的毒性 等 母体毒性与胚胎毒性的关系 a.具有胚胎毒性，但无母体毒性（致畸物） b.出现胚胎毒也出现母体毒 C.具有母体毒性，但不具有致畸作用 d.在一定的剂量下，即无母体毒性，也不表现胚胎毒性

母体毒性与发育毒性 目前常用增重减慢和死亡率表示母体毒性 传统的母体毒性评价方法

母体毒性与发育毒性

发育毒性的剂量反应模式 结构畸形 生长迟缓 胚胎死亡 致畸作用 胚胎毒 三种毒性同时存在

发育毒性是否有阈值还有争论，但通常认为发育毒性有阈值。 发育毒性的阈值 发育毒性是否有阈值还有争论，但通常认为发育毒性有阈值。 有阈和无阈的理论基础？ 发育毒性的阈值：母体剂量低于该值就不会产生有害效应。 群体中最敏感的个体阈值为群体阈值

致畸的作用机制 1、干扰基因表达 表达抑制和表达增强 2、基因突变与染色体畸变 3、干扰细胞周期，影响细胞增殖 4、细胞凋亡 与凋亡有关的基因：P53基因、c-myc、Bcl－2 5、干扰细胞通讯 反应停 6、通过胎盘毒性引起发育毒性 有毒重金属 7、干扰母体稳态 8、内分泌干扰作用 激素起着指导分化的关键作用，发育中的生物体 对激素作用的干扰非常敏感。

Osmolar imbalance, Altered energy sources, Gene mutation, Chromosomal abnormality, Mitotic interference, Altered nucleic acid function, lack of precursors or substrates, Osmolar imbalance, Altered energy sources, Enzyme inhibition, Altered cell membrances Excessive or reduced cell death, Failed cell interactions, Reduced biosynthesis, Impeded cell migration, Inappropriate gene expression, Mechanical disruption of tissues Too few cells or cell products for normal morphogenesis or differentiation Abnormal embryo

第四节 发育毒性和致畸作用试验与评价 动物发育毒性试验 环境流行病调查 体内外替代试验

动物发育毒性试验 试验目的 明确受试物是否有生殖发育毒性 确定发育毒物的NOAEL（未观察到损害作用的剂量）和剂量反应关系 决定试验方案的主要因素 化学物的预期使用与生殖的特殊关系 物质的类型与预期给药途径 受试化学物或结构（活性）相似物的有关资料 三阶段试验方案 I阶段：雌雄交配前－交配－雌性受精－着床前染毒，研究对此阶段生物过程的作用 II阶段：从着床到硬腭闭合期间染毒，研究对成年雌性生殖功能、胚胎发育、器官形成期的发育毒性 III阶段：从着床到幼仔断乳期间对孕母（及乳母）染毒，研究包括从着床到子代性成熟的母体生殖毒性和子代发育毒性

流行病学研究和人类的证据 发育毒性的人类流行病学调查比较困难 足够大的人群 足够明显的效应 妊娠失败在一般人群中难以发现 流产导致畸胎率失真 暴露和效应记录误差 病例报告和出生缺陷监测登记对发现潜在的发育毒物具有重要作用

流行病学研究和人类的证据 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或两剂量间有重叠 小于1 母体中毒时无致畸 2.畸胎率 高，与剂量有关 低，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 泛化，非特定细胞 不详 5.安全系数范围 ～400 ～300 ～250 ～100

A、B、C明显需要或明显利大于弊时，孕期可用， 流行病学研究和人类的证据 妊娠期用药类型 人群研究结果   动物实验结果 + - 无可用资料 X或D B A A或B C1 C2 A、B、C明显需要或明显利大于弊时，孕期可用， D类孕期慎用，X类 孕期禁用

Wilson提出的确定人类新的致畸物的标准 流行病学研究和人类的证据 Wilson提出的确定人类新的致畸物的标准 1.某种特异的缺陷或几种缺陷综合症的发病率突然增加 2.缺陷的增加与某种已知的环境改变，如某种新药的广泛使用巧合 3.已知在妊娠的特殊阶段接触的环境改变，产生有特征性的缺陷综合症 4.缺少妊娠时引起特征性缺陷婴儿产生的其它普通因子

替代试验的必要性 发育毒性的替代试验 用动物试验检测、研究化学物的发育毒性费钱、费时间 近年进行过较广泛确认研究的三个体外胚胎毒性试验 a.大鼠全胚培养试验，b.大鼠胚胎肢牙微团试验，c.小鼠胚胎干细胞培养试验（详见P168-169) 这三个体外胚胎培养试验结合整体动物试验可以进行发育毒物的初步筛选，解释发育毒性的发生机制。 但不能代替整体动物生殖毒性试验，对危险／暴露评价意义不大，不属于产品登记比需材料。

发育毒性的替代试验

发育毒性的替代试验

发育毒性的体内预筛试验（C.K试验） 发育毒性的替代试验 1982年幼Chernoff和Kavlock改进，用于预筛发育毒性的体内试验 原理：大多数出生前受到的损害将在出生后表现为存活力（存活率）下降和（或）生长迟缓。 方法：在器官形成期以接近母体毒性的有限剂量水平染毒，自然分娩后，观察出生后3天内的新生仔外观畸形、胚胎致死、生长迟缓等发育毒性表现，对新生子代进行外部畸形、生长和生存能力的评估。而不进行传统常规试验中内脏和骨骼的检查，就可达到筛试的目的。

小结 1.发育毒理学的一些基本概念 2.发育毒性的三种剂量－反应关系 3.发育毒性的作用机制 4.发育毒性的三阶段动物试验方案 发育毒性，发育毒理学，畸形，致畸作用，胚胎毒性，胎儿毒性，母体毒性，出生缺陷 2.发育毒性的三种剂量－反应关系 3.发育毒性的作用机制 4.发育毒性的三阶段动物试验方案