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第八节 药物毒性机制研究进展
美国成功研发一个新药需投入约10亿～15亿美元，平均研发时间12～15年，如果因为毒副作用而被迫撤市，所浪费的资源和付出的代价则相当惊人。因此，迫切需要有好的研究手段提高预测新药临床毒性的准确性，避免新药上市后出现严重毒副作用、降低新药撤市可能性、提高新药研发效率。
怎样才能减少新药临床毒性，提高临床试验成功率，节约新药研发成本呢?毒理学界给出了明确的答案:开展新药毒性机制研究。
过去人们常根据剂量-效应关系来决定新药是否安全，用治疗指数来判断其安全度，使一些有严重毒性甚至致命的药物错误地被认为毒性可以耐受而上市。常规安全性评价只有综合毒性机制研究才能弥补这种经验性推断的不足。而毒性机制研究也应结合药理学、化学、代谢动力学、毒理学及危险因素评估等多学科共同进行，才能真正成为一门探索性学科。
一、药理作用相关的毒性机制研究
有些药物的毒性表现为药理作用的放大或延伸，故应关注与药理作用相关的安全性问题。毒性可能是由于药物与其靶点相互作用而致，还可能药物与其他分子靶点相互作用或与靶分子结合后作用于药理效应以外部位所致。
抗肿瘤药物药理作用与毒副作用相关性较强，如细胞毒类抗肿瘤药能抑制细胞分裂、细胞凋亡、组织侵袭及血管生成，由于这类药物的许多分子靶点在非肿瘤细胞组织中也存在，因此，必须保证药物对正常组织的细胞毒作用比对肿瘤细胞低，并确保对正常组织的损害可以被监控。
须重视与药理作用相关的药物相互作用而引起的毒副反应。如磷酸二酯酶抑制剂西地那非，临床用于治疗勃起功能障碍，该药有轻度降血压作用。由于该药同时也抑制其他磷酸二酯酶，还会出现一系列较轻的副作用，因此如果西地那非与硝酸盐类药物共用，则可导致严重的低血压、冠状动脉供血不足和心肌梗死。
二、化学结构-毒性机制研究
新药研发过程中，许多时候被迫放弃研究是由于药物化学结构中母环有毒性作用，且修饰侧链不能降低这种毒性。
硅上毒理学( in silico)研究可提供大量的结构-毒性机制相关信息，特别是遗传毒性方面的信息。结构-毒性机制研究有前景的做法是进行体外毒性筛选，找到毒性最小的化合物。体外毒性筛选和有效性筛选联合应用可评价出哪些是药效作用相关基团，哪些是毒性作用相关基团。结构-毒性机制研究时还应关注手性对化合物毒性的影响。
三、药物代谢、毒物代谢与毒性机制研究
药物代谢的首过效应在肝脏中产生，因此，许多药物的肝毒性也就与肝脏代谢有关。毒性存在种属差异的重要原因是药物代谢存在种属差异性。影响药物消除是药物相互作用在药代动力学的表现，也是导致药物毒副作用的一个重要机制。一些靶器官的毒性可能是代谢所致(如肝、肾毒性)，还可能是由于生物蓄积所致(如中枢毒性)。
药物代谢和毒物代谢研究重要进展是建立了人源性体外研究系统( human based experimental system，HBES)。如应用肝微粒体及新鲜或冷藏保存的人肝细胞研究药物的代谢稳定性、代谢产物及药物相互作用等。HBES获得的代谢数据可提供有效的安全信息，如确认中毒及解毒途径。根据与人代谢的相似性，药物代谢动力学数据还常用来帮助选择与人最相关的动物种属，进行安全性评价及药效研究。
四、药物毒理学与毒性机制研究
常规毒理学评价方法有:急性、亚慢性及慢性毒性试验、遗传毒性试验、生殖毒性试验、致癌试验等。这些方法与毒性机制研究相结合，可大大提高预测新药临床毒性的准确性。
(一)应用体外方法研究毒性机制
HBES对预测新药的人体毒性有很大帮助，如用人血管内皮细胞评价新药的血管毒性，用人肝细胞评价新药的肝脏毒性，用人近曲小管细胞评价新药的肾脏毒性。用来源于多器官细胞的培养系统来评价新药毒性是近期建立的方法，这些评价方法所得结果与人相关性较高。
体外试验在毒理学中应用的主要优点为:简单、快速、经济;实验条件比较容易控制;可比较种属差异，确定靶器官、靶细胞甚至靶分子，探讨毒性作用机制;为整体动物试验提供线索和依据，使体内试验的设计和研究更加合理;操作过程比较容易标准化、自动化或仪器化。
当然体外试验应注意避免假象的出现(如体外试验时新药浓度很高，人用药后根本达不到这样的水平)，同时要清楚地认识到体外试验的局限性(如缺乏血液循环、内分泌、多器官及组织的相互作用和完整的免疫系统等)，各种微生物或细胞的培养都是在离体条件下，难以精确地模拟或反映外源性物质在生物体内的生物转运和生物转化过程。
(二)从细胞水平、分子水平研究毒性机制
一旦发现药物毒性，还应从药物对细胞功能的影响、修复和修复失调、药物对分子的作用等方面深入探讨毒性作用机制。
1.药物引起细胞功能障碍
主要表现为:①药物引起细胞调节失控，如引起基因表达的失控，细胞活动失调。②细胞稳态失调产生毒性，如细胞稳态的破坏和细胞内的钙离子浓度升高。氧化磷酸化过程的受损和细胞钙离子持续升高，是影响细胞结构和功能而导致细胞死亡的常见机制。③修复失调。许多药物能导致生物大分子结构的畸变。如果这些损害不能得到修复，就会对生物体造成损害。修复失调则会引起毒性如组织坏死、硬化和癌变等。修复机制失效或损伤部位未被及时修复也可导致细胞纤维化，如肝硬化、肺纤维化等。
2.药物对靶分子的作用
药物与其靶分子作用可诱发一系列的生化反应，最后导致在不同器官和水平的功能紊乱和损伤。药物与靶分子作用引发的毒性反应可从药物与靶分子的反应种类、靶分子的反应以及药物对靶分子的作用等几个方面进行研究。
3.高通量筛选( high content screening)
与毒理学相关的高通量筛选方法主要有:基因组学、蛋白质组学、代谢组学、纳米生物技术、毒性基因组学、毒性蛋白质组学、毒性代谢组学等。
例如曲格列酮临床用于治疗2型糖尿病，但由于存在致命的肝脏毒性而撤市，毒性基因组学研究表明曲格列酮可引起一系列明显的毒性相关基因的高表达。根据有毒性及无毒性化合物对基因差异表达的研究，就能明确化合物的毒性机制，再用动物试验证实，为预测药物临床毒性提供非常重要的依据。
(三)应用整体动物模型研究毒性机制
准确预测新药的临床毒性是新药评价的最终目标。在新药早期研发阶段不但应在体外而且应在动物体内进行新药毒理学评价并进行机制研究，预测新药临床前研究可能会导致的动物毒性，还应尽可能用与人相关性最好的动物进行研究。
转基因动物集整体、细胞和分子水平为一体，其基因中含有来源于外来遗传物质，更能体现整体研究的效果。转基因动物现已广泛应用于毒理学研究，如用于特定组织毒性的转基因动物，能揭示药物的组织细胞特定毒理学作用。
(四)其他方法
显微激光共聚焦切割技术在毒性病理学中的应用、毒性生物标志、快速毒性检测体系等的建立，都为深入进行毒性机制研究提供了技术平台。
五、药物危险因素评估
药物危险度评估是对人类暴露于药物后可能造成的身体不良反应的系统科学研究。在新药上市前及上市后对其进行危险度评估，明确药物对人体可能存在的毒副作用并进行利弊权衡，是一复杂又具有重要意义的挑战性工作。药物危险度评估主要包括以下四个步骤:①药物危险鉴定;②药物剂量-反应关系评定;③药物暴露评估;④药物危险度特征判定。
(一)药物危险鉴定( hazard identification)
是药物危险度评估的首要工作。其目的是确定人体接触药物后会不会产生有害影响，能不能确定药物与效应之间的因果关系等。
(二)药物剂量-反应关系评定( dose-response assessment)
药物危险度评估的核心部分，其目的是阐明不同剂量水平的药物与接触群体中出现的最为敏感的、关键的不良反应发生率之间的定量关系，进行实验动物与人群之间及不同人群之间的剂量-反应关系的推导，确定合适的剂量-反应关系曲线。主要涉及药物毒性剂量与群体反应率之间关系的确定，是对药物危险性的定量描述。不良反应可以分为两类:①有阈值的“阈值效应”;②在任何暴露水平下都存在不良反应，称作“非阈值效应”。
(三)药物暴露评估( exposure assessment)
目的是确定危险人群接触被评价药物的总量和接触特征。可通过测定暴露部位的浓度来评价药物暴露程度，包括估计药物的作用途径、吸收、分布、代谢和排泄等。
(四)药物危险度特征判定( risk characterization)
通过对前三个部分工作的评定结果进行综合、分析、判断，估算被评定药物在接触人群中引起危险度的估计值。这些综合分析不可能提供绝对的危险度数据，特别是当暴露超出最大无毒性反应剂量时，对人体真正的危险度还须进一步评估，因此，找到恰当的、准确的替代方法是目前进行危险度特征判定的重要方向。
不同个体的药物毒性剂量不尽相同，原因是受到生理(如年龄、性别、民族及健康状况等)、环境(如食物或同时服用其他新药等)及遗传等因素的影响。对大多数人无毒剂量对存在危险因素人群可能就会致命。如:解热镇痛药对乙酰氨基酚(扑热息痛)可造成饮酒患者致命的肝脏毒性，因此乙醇是对乙酰氨基酚的危险因素。危险因素评估是新药毒性机制研究相关的重要工作。危险因素评估应以药物毒性作用机制为基础，如药物的代谢产物有毒性，此时危险因素是促进中毒途径或降低解毒途径的因素。药物相互作用分析时应充分重视药物对药代和毒代动力学的影响。非药物代谢相关的危险因素评估可参考同类上市新药。
近年来，药物的安全问题越来越受到重视，新药的危险度评估也变得更加重要，对其要求也越来越高。这使得危险度评估面临诸多问题和挑战，如危险度评估中生物学机制模型的应用，高剂量向低剂量反应的外推，动物试验数据与人的相关性及不确定因素分析等。近几年的国际毒理学及危险度评估会议上指出一些机制模型的应用已成为解决危险度评估中存在问题的关键。应用一些生物学模型机制，可以有效减少外推误差，降低不确定因素。在危险度评估中应用生物标志物，也能够减少评价过程中的不确定性，使评价结果更接近实际情况。随着科学和技术的进步，生物标志物及其有效性评价工作的迅速开展，尤其是众多分子生物标志物的发展和应用，为危险度评估提供了新的发展前景。
开展新药毒性机制研究，可提高预测新药临床毒性的准确性。新药毒性作用机制须结合药理学、化学、药代动力学、毒代动力学、毒理学及危险因素评估等多学科共同进行。基因组学、蛋白质组学、代谢组学、纳米生物技术、毒性基因组学、毒性蛋白质组学、毒性代谢组学、体外生物化学、分子及人源性体外实验系统等现代研究方法为毒性机制研究提供了强有力的保证。
新药毒性机制研究必须及早开展，贯穿新药研发的各个时期，且应完整深入地进行。虽然毒性机制研究花费了额外资源及时间，但可提高临床试验的成功率、降低新药上市后由于严重不良反应而被警告甚至被撤市的风险，因此利大于弊。
(陆国才 范玉明)