劑量越小，毒性越大？這是種不按常理出牌的化學物

　　2018年09月28日 10:35 新浪科技-自媒體綜合

　　來源：科研圈

　　大約 500 年前，瑞士醫生帕拉塞爾蘇斯提出「劑量決定毒性」的觀點，這句話成為現代毒理學的基本法則。對絕大多數有毒的物質而言，劑量越大，毒性自然也越高。然而，從上世紀 70 年代起，生物學家逐漸發現，某些化學物質似乎擁有與眾不同的特性：在劑量非常低的情況下，反倒具有更大的毒性。然而，直到現在，各國監管機構仍然鮮有制定相應法規，對此類化學物質進行足夠的管制……

　　帕拉塞爾蘇斯（Paracelsus）是16世紀一位性情暴躁的醫生，一生遊走於歐洲中部的各大城鎮，在治療中大膽使用水銀、鴉片及其他危險藥物。他那顯得有些冒險的醫療理念，與當時施行放血術的醫生和傳統醫師大不相同。他曾在晚年所寫的書中，為自己採用的非傳統療法進行辯護：「所有東西都含有毒素，沒有任何東西是完全無毒的：劑量才是決定物質毒性的關鍵。」在幾個世紀后的今天，帕拉塞爾蘇斯那些在當時被認為是極端的看法，已經得到了廣泛認可，他的話也可以被精簡為：「劑量決定毒性」，而這正是現代毒理學的基本法則。

　　內分泌干擾物：爭議漸起

　　帕拉塞爾蘇斯的這句名言使他成為了毒理學之父。現在對於這一觀點的解釋是：毒性與劑量呈線性變化關係，因此減少有害物質的劑量，可以降低風險。這一觀點不但是一個抽象化的哲學表述，更是 20 世紀中葉興起的化學物質安全測試的基本前提。風險評估人員一般會看，當一種化學物質的劑量很高時，會對人體產生什麼不良影響，然後據此進行推斷，制定該物質的安全標準。而這些都基於一個前提：有毒的化學物質在低劑量時，其毒性會大幅降低。

　　

　　毒理學之父帕拉塞爾蘇斯

　　但是，如果帕拉塞爾蘇斯的假設是錯誤的，會怎麼樣呢？假如有一類強效的化學物質在低劑量下，對人體的危害更大，那又怎麼辦呢？越來越多的科學研究人員宣稱，內分泌干擾物（endocrine disruptor）就是這樣一類化學物質，一般的毒理學無法完全解釋其毒性。這類物質會與細胞激素受體（cellular hormone receptor）發生反應，比如廣泛使用的除草劑莠去津（atrazine）、塑化劑雙酚A（bisphenol A，BPA）、清潔劑中的抗菌劑二氯苯氧酚胺（triclosan）以及葡萄園中使用的殺真菌劑中的烯菌酮（vinclozolin）。監管機構根據常規的大劑量測試（high-dose testing），對這些化學物質的使用劑量設定了安全上限，認為低於上限的劑量對人體就是安全的。但研究人員卻發現，一些存在於日常環境中的極其微量的化合物，其毒性實驗數據並不符合經典的毒理學「劑量-反應曲線」。相反地，大多數內分泌干擾物所呈現的則是U形，或倒U形，甚至波浪形。

　　費雷德里克·沃姆·薩爾（Ferderick vom Saal）是美國密蘇里大學哥倫比亞分校的神經生物學家，他從20世紀70年代起就告誡人們，警惕內分泌干擾物對人體的影響，「我們目前所測試過的每一種內分泌干擾物都具備複雜的劑量-反應曲線，我估計所有此類化合物都是如此。而傳統的毒理學方法則完全無法預測這類內分泌干擾物質在低劑量下的毒理表現」。

　　

　　在上世紀70年代，薩爾就告誡人們，警惕內分泌干擾物對人體的影響。

　　薩爾及其同事認為，環境中所存在的微量內分泌干擾物質，是造成各種人類健康問題（包括肥胖、糖尿病、癌症、心血管疾病、不育以及其他與性發育相關疾病）的元兇。

　　然而，很多毒理學家對此並不信服，特別是那些在工業界或政府部門從事傳統風險評估的毒理學家。雖然他們也承認，內分泌干擾物質的確具有一些奇特的毒理性質，但他們表示，薩爾和其他持類似觀點的研究人員所進行的研究，還沒有得到重複實驗的證實，而且過度依賴未經驗證的檢驗方法，過於注重那些並不會給人體帶來明顯危害的癥狀，比如器官重量、癌前增生、基因和蛋白活性的變化等。美國Gradient環境諮詢公司毒理學家、美國化學委員會顧問洛倫茨·龍伯格（Lorenz Rhomberg）說：「如果要我們相信低劑量內分泌干擾物質對人體健康的影響，他們就必須拿出證據，證明他們的實驗結果是可重複的，證實這種現象不是僅出現在某個研究人員的某一次實驗中，而是經得起科學檢驗，真正會對人體造成不良影響的毒理現象。」

　　薩爾及其同事對這些質疑的回答是：內分泌干擾物質的研究在迅速發展，他們現在已經能提供龍伯格所要求的系統性證據。2012年發表的一篇綜述，對迄今該領域中的600多項研究進行了一次全面總結（幾乎包括了他們該領域5年來發表過論文的一半），並發現有可靠證據顯示，18種內分泌干擾物質（包括BPA、莠去津及烯菌酮）在低劑量下會不同於傳統的劑量反應，危害人體健康。這篇綜述的主要作者、現任美國馬薩諸塞大學安姆斯特分校助理教授的勞拉·范登堡（Laura Vandenberg）說：「質疑我們研究結果的科學家，一直在指責我們沒有足夠的證據證明這個現象的真實性，現在我們接受他們的挑戰。」

　　歐洲和美國的政府官員對這個研究領域也十分關注。美國國家環境衛生科學研究所所長琳達·波恩鮑姆（Linda Birnbaum）認為，「范登堡的綜述很具說服力，也十分可信」。2012年，波恩鮑姆在NIEHS旗下的《環境健康展望》（Environmental Health Perspectives）雜誌中提出，「現在，應該是時候討論一下該不該將化學物質的低劑量反應納入監管決議了」。

　　時任歐盟環境總署化學品部負責人比約恩·漢森（Björn Hansen）透露，2012年6月，在比利時布魯塞爾召開的歐盟科學會議上，與會代表們雖然無法就低劑量反應的重要性達成一致意見，但都同意有必要加強現有法規。與此同時，美國環境保護局（EPA）和食品及藥品管理局（FDA）也表示，願意就該問題展開討論，但他們認為目前大規模的法規修訂還言之過早。

　　

　　

　　研究人員發現，許多內分泌干擾物的「劑量-反應曲線」不同於一般藥物的單調曲線。

　　獨特的毒性曲線：不可小覷低劑量

　　自從有關內分泌干擾物的紛爭存在以來，薩爾就一直處於爭論的中心。20世紀70 年代，薩爾在美國得克薩斯大學奧斯汀分校做博士后研究時，就吃驚地發現小鼠子宮裡性激素水平的細微變化，會對其中的胚胎產生終身影響。在子宮中處於兩隻雄鼠胚胎之間的雌鼠胚胎，與處於兩隻雌鼠胚胎之間的雌鼠胚胎相比，成年後表現出的「雄性化」特徵（如攻擊性）明顯強於後者。顯然，這是相鄰雄性胚胎釋放的微量睾酮造成的。

　　薩爾首先對天然激素和合成雌激素己烯雌酚（diethylstilbestrol，DES）進行實驗。他發現，與未接觸過DES的雄鼠相比，在出生前接觸過微量DES的雄鼠，其前列腺更重，後來更易患包括癌症在內的前列腺疾病。但奇怪的是，更高劑量的DES卻不會造成這些影響。己烯雌酚是最早被發現具有非單調「劑量-反應曲線」的內分泌干擾物之一。其後，薩爾與密蘇里大學的同事韋德·威爾休斯（Wade Welshons）發現，多種內分泌干擾物都具有類似的非單調反應，特別是BPA。

　　薩爾的早期研究引起了國際上對BPA的關注，並成功促使美國、加拿大和一部分歐洲國家停止在嬰兒奶瓶和幼兒水杯的製造中使用BPA。研究還激發了大批研究人員，對低劑量BPA及其他合成激素對動物的內分泌影響展開了更深入的研究。例如，塔夫斯大學的細胞生物學家安娜·索托（Ana Soto）就發現，過早接觸BPA，會影響大鼠和小鼠的乳腺發育，促進雌激素受體的生長，導致癌前增生及癌症。另一位細胞生物學家，西班牙米格爾·赫爾南德茲大學的安傑爾·納達爾（Angel Nadal），通過向人工培養的人類胰腺細胞施加BPA，發現了BPA劑量水平和葡萄糖代謝變化（糖尿病和肥胖的風險因子之一）之間的非單調關聯性。流行病學家也加入這場論戰中來。他們發現，尿液中的BPA 水平與兒童肥胖具有一定的關聯性，並將其他內分泌干擾物與糖尿病的發病率聯繫起來。

　　

　　BPA與雌性激素受體結合示意圖

　　他們的研究向人們展示了一個內分泌干擾的奇異世界，它與傳統毒理學完全不同，就好像量子力學與經典物理學完全不同一樣。在動物發育的關鍵時期，即使只是極微量的BPA和其他干擾物與激素受體發生反應，也會影響受體的正常功能，產生難以理解的實驗結果，特別是當其他激素也參與其中時。

　　這類激素受體間的相互影響，會產生異常的「劑量-反應關係」，其中很多關係，科學家還在努力闡明。2012年10月，薩爾在密蘇里大學的研究小組首次發表了一種廣泛使用的塑料成分——DEHP（一種鄰苯二甲酸酯）的非單調「劑量-反應曲線」。這個研究小組對78隻懷孕小鼠施加不同劑量的DEHP，然後監測不同劑量的影響。這次實驗使用的劑量跨度極大，從0.5微克/千克體重/天直到50萬微克/千克體重/天。

　　實驗發現，根據DEHP施加劑量的不同，小鼠的睾酮水平及其性發育會出現令人驚訝的變化。舉例來說，雄性小鼠的實驗曲線看起來像起伏的山巒。在0~0.5 微克的劑量之間，小鼠血清中的睾酮水平隨劑量的增加上升，但到1微克的劑量時，小鼠血清中的睾酮水平則稍微下降；接著從5~500微克之間，又呈上升趨勢；當DEHP的劑量達到5萬微克時，睾酮水平又開始下降；在50萬微克劑量時，則開始迅速下降。實際上，最高劑量下的睾酮水平與未施加DEHP的對照組水平相同。為避免遭到質疑，薩爾對實驗數據進行了吻合度 （goodness of fit）的統計分析，結果證實非單調曲線最符合實驗數據。

　　

　　該實驗中，DEHP劑量與小鼠睾酮水平的關係

　　DEHP的怪異曲線背後，隱藏著一個未知的生化機理，要闡明這個機理還有待進一步研究。不過，研究人員已經找到了其他非單調曲線的確切成因。其中，科學家了解得最透徹的一個例子並非污染物，而是一種藥物——他莫西芬（tamoxifen）。這種化療藥物會與乳腺細胞中的雌激素受體結合，「劑量-反應曲線」呈倒U形。極低劑量的他莫西芬不僅不會抑制癌細胞，而且隨著藥物在乳腺細胞中慢慢累積，還會刺激腫瘤生長，導致病人進入一個痛苦的爆發期。當他莫西芬在組織中的濃度進一步增加，直到足以與其中所有的雌激素受體結合，才會開始抑制癌細胞的生長。美國馬薩諸塞大學阿姆赫斯特分校的托馬斯·策勒（Thomas Zoeller）說：「內分泌學家對這個過程十分了解，非單調劑量反應是一個無可爭辯的事實。」

　　2009年，美國內分泌學會發表的一份科學聲明，標誌著該研究領域的一個轉折點。這是該學會在其95年的歷史中，發表的第一份科學聲明。其中指出，「內分泌干擾物是公共衛生的一個重大隱患」，該學會支持加強管制，認可非單調劑量反應，並表明「即便是極微量的接觸，只要有接觸，內分泌干擾物就有可能導致內分泌或生殖異常」。2011年，另外7個科學團體與內分泌學會一起，在《科學》雜誌上發表一封聯名信，表達對該問題的關切。加利福尼亞大學歐文分校的分子生物學家布魯斯·布隆伯格（Bruce Blumberg）說：「這份聲明肯定了內分泌干擾物研究的主流地位，從根本上轉變了該領域的命運。」

　　

　　美國的12個州已經禁止將BPA用於兒童水杯的生產

　　巨大的分歧：何時納入監管？

　　然而，科學評論家卻認為，非單調反應和低劑量效應存在與否並非問題的關鍵，最重要的問題是，它們對人體健康到底有多大影響。美國FDA食品安全和應用營養學中心的毒理學家傑森·昂斯特（Jason Aungst）認為：「非單調性確實存在，但問題是它是否真的具有毒理學意義。」他和一位在EPA 工作的資深毒理學家厄爾·格雷（Earl Gray）認為，薩爾、索托和其他研究者所發現的低劑量效應，還是一個相對罕見的現象，不足以確定該現象與主要健康問題的關係。

　　學者對於該問題的意見分歧如此之大，一定程度上是由於研究人員與風險評估機構採用了不同類型的測試方法。製藥廠商為獲得上市批准，通常會僱用私營檢測機構測試新產品，但這類實驗室通常沒有能力檢測極低濃度的化學物質。這些私營機構通常不會檢測藥物引起的複雜生化改變，例如蛋白質水平的變化，而這正是策勒、索托及薩爾的實驗室所做的常規檢測之一。相反，監管機構規定的標準化檢測，要求檢測方法更簡單、更容易重複；檢測更多實驗動物；針對更明顯的健康問題，如急性毒性、癌症和身體畸形。

　　

然而，就算政府機構和工業界的科學家想要找到低劑量效應，通常也一無所獲。例如，格雷和任職於RTI國際的發育毒理學家羅謝爾·泰爾（Rochelle Tyl）就對BPA的低劑量效應進行了研究，但並沒有發現薩爾等研究者所證實的嚴重發育影響。薩爾與其同僚則反駁，泰爾和格雷的研究沒有發現BPA的低劑量效應，是因為他們施與陽性對照動物的雌二醇劑量過高。

　　由於泰爾和格雷的研究結果不理想，FDA和EPA都沒有更改它們對BPA的風險評估。FDA仍然堅持50毫克/千克體重/天的BPA劑量對人體沒有不良影響，而薩爾卻認為BPA的安全劑量範圍應該比這低200萬倍，即25毫微克以下。然而，目前這兩個監管機構正合作展開一項大規模的研究，以解決這場紛爭。這個由NIEHS和FDA國家毒理研究中心牽頭的新項目，耗資2000萬美元，它是迄今為止，針對非單調劑量-反應毒理曲線進行的規模最大的研究。2012年9月，研究人員開始給大約1000隻小鼠餵食5個不同劑量的BPA，測試範圍從2.5微克/千克體重/天，到2.5萬微克/千克體重/天，並採用了兩個陽性對照組（所施與的雌二醇量遠低於泰爾或格雷所採用的）和一個陰性對照組。薩爾、策勒和其他學者將會參與組織分析，測量一系列標準監管測試中沒有檢測的健康影響，例如前列腺和乳腺組織生理代謝的變化。

　　這項大型BPA研究目前仍在進行中。在2015年發表的中期報告中，低劑量的BPA已經顯現出了一些危害。研究團隊預計，最終結果將於今年發布。而薩爾在實驗室中，也找出了更多關於BPA毒性的證據：在2014年發表的一篇論文中，薩爾首次發現了低劑量BPA對哺乳動物器官發育的副作用。2017年1月，歐盟將BPA列入「高度關注物質」（SVHC）的候選目錄，朝著禁止進口、使用BPA跨出了第一步。

　　而在更多研究結論出爐之前，這個研究領域的一些資深科學家決定不再等待，他們合寫了一篇論文，就如何檢測新合成的藥物對內分泌的影響，以及如何檢測這些在低劑量下的非單調「劑量-反應曲線」，向工業界的化學家給出詳盡的建議。論文還附有一個相關的網站，它致力於避免可能有害的內分泌干擾物流入市場。

　　薩爾希望這項舉措有助於給監管機構施加壓力，限制市場上的有害化學物質。他解釋道：「我們只是要告訴製造商，如果你們希望研製安全的化合物，就應該這樣做。我想這無可非議。」