药物毒性产生的分子机制及研究进展
图2-1 中药产生毒性作用的潜在步骤
药物吸收进入机体分布于全身，通常仅对其中某些部位造成损害，只有被药物造成损害的部位，才是药物毒理作用的靶部位，被损伤的组织器官称为毒性靶组织或毒性靶器官。药物毒性作用的机制包括药物进入靶器官、靶组织的方式，与靶分子相互作用，引起细胞功能和（或）结构的紊乱，启动基于分子、细胞和（或）组织水平的修复四个步骤（图2-1）。当化学物质不与靶分子发生作用而是直接作用于接触的部位，这是引起毒性作用最直接的方式，如某些物质沉积于肾小管从而造成堵塞，这种毒作用形式与毒物到达的位置有关；当药物与靶分子发生相互作用后，可引起细胞功能紊乱或损伤，如河鲀毒素与Na+通道结合后，阻滞Na+通道，抑制神经传导，导致骨骼肌麻痹。毒物造成细胞损伤后，机体出现异常修复（包括分子水平、细胞水平和组织水平的修复）。当损伤超过机体的修复能力或发生修复错误时，即可能发生组织坏死、纤维化，甚至癌症。
步骤1—药物从给药部位传递到靶组织
理论上，毒性作用的强度主要取决于终极毒物在靶组织的浓度和作用的持续性。终极毒物是指直接与内源性靶分子（如受体、酶、DNA、微管蛋白、脂质等）发生反应或改变生物微环境，诱发结构和（或）功能改变，而导致毒性作用的化学物质。终极毒物通常为原型药物。有时也可为药物代谢产物或药物在生物转化中产生的活性氧（reactive oxygen species，ROS）或活性氮（reactive nitrogen species，RNS）。少数情况下，终极毒物可能为内源性分子，如胆红素。
终极毒物在靶分子处的浓度取决于其在靶部位浓度增加或降低的相对动态过程（图2-2）。终极毒物在靶部位的蓄积取决于其吸收、在作用部位的分布、重吸收和代谢活化。药物进入系统前的消除、非作用部位的分布、排泄和脱毒作用均可减少终极毒物在靶部位的蓄积。
图2-2 毒性中药传递过程
步骤2—终极毒物与毒效靶标相互作用
毒性是先由终极毒物与靶分子间的反应而致，继而表现为一系列导致靶分子本身、细胞器、细胞、组织和器官，甚至整个机体紊乱或损伤的生化效应。由于是终极毒物和靶分子的反应激发了毒性效应，因此必须考虑终极毒物和靶分子的反应类型、靶分子的属性、毒物对靶分子的效应（图2-3）。
1.终极毒物和靶分子的反应类型
（1）非共价键结合：由于氢键和离子键的形成，反应呈现为终极毒物和膜受体、细胞内受体、离子通道和某些酶相互作用。如马钱子中的士的宁与甘氨酸受体结合等。因为键能相对较低，通常是可逆的。
（2）共价键结合：具有不可逆性，能从根本上改变生物大分子的性能。具有非离子和阳离子基团的亲电子药物较易形成共价加成物，这些药物可与机体中生物大分子如蛋白质和核酸中的亲核基团反应。
（3）自由基反应：当终极毒物是中性自由基时，可获得内源性化合物上的氢原子，使这些化合物成为自由基，从而破坏靶分子。如中性自由基从巯基（R-SH）上获取氢，使后者生成R-S-，R-S-进而形成其他巯基氧化产物如磺酸R-SO3 H和双硫键产物R-S-S-R，使靶分子（如蛋白质）的结构和功能得以破坏。
图2-3 终极毒物与靶分子的反应
（4）异常酶促反应：某些毒素可以对一些特异性蛋白产生酶促反应。如来源于蓖麻的蓖麻毒素由A和B两条多肽链组成，其A链是一个N-糖苷水解酶，可通过脱去核糖体中的腺嘌呤，破坏核糖体，抑制蛋白质的合成，最终导致细胞死亡。蛇毒中含有丰富的酶，比如蛋白水解酶，可凝固纤维蛋白原，损害血管壁引起严重出血；透明质酸酶，可溶解细胞与纤维间质的酸性粘多糖，破坏结缔组织的完整性，促使蛇毒从局部向周围组织扩散，扩大局部炎症，加深症状。
2.靶分子的属性 理论上所有的内源性分子都可能成为毒性药物潜在的作用靶点。靶分子通常为大分子，如核酸（特别是DNA）和蛋白质。另外，膜脂质等小分子也可成为靶分子。但靶分子很少为三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP），以及辅酶如辅酶A和吡哆醛。内源性分子成为毒性药物作用靶点必须具有很好的反应性和（或）空间构型，使终极毒物能够与其进行各种反应。同时，由于靶分子必须能够与足够高浓度的终极毒物接触，因此那些处于活性化合物附近或者邻近活性化合物形成位点的内源性分子通常就成为毒性作用靶点。并非所有的毒性药物作用的靶分子都与损害作用有关。因此，靶分子是否与药物毒性有关决定于终极毒物，如是否与靶标反应并进一步影响其功能；是否在靶部位达到有效浓度；是否在某种机制上，以所观察的毒性相关的方式改变靶标。
3.靶分子的毒物效应
（1）影响靶分子功能：毒物能激活或抑制靶分子的功能。如罂粟壳中的吗啡启动阿片受体；洋金花中的莨菪碱阻断M胆碱受体；马钱子中的士的宁阻断甘氨酸受体；河鲀毒素阻断Na+通道；长春碱抑制微管蛋白聚合。
（2）改变靶分子结构：某些毒物可通过交叉联结或断裂作用改变靶分子的基本结构。如与DNA分子形成加成物：马兜铃酸Ⅰ和马兜铃酸Ⅱ在细胞色素P450酶1A1／2（CYP1A1／2）等多种代谢酶的作用下，硝基基团被还原，后者可以与DNA，尤其是鸟嘌呤和腺嘌呤的氨基基团进行结合，或者与蛋白质发生共价结合，形成加合物，从而导致肾小管上皮细胞凋亡和坏死。一些靶分子在受到终毒物攻击后极易自动降解。
（3）形成新抗原：某些药物或其代谢产物与体内大分子的结合物有时具有抗原性，激发免疫反应。如石蚕碱经细胞色素P450酶3A4（CYP3A4）介导的氧化反应生成环氧化物，进而与环氧化物羟化酶形成加合物，导致自身抗体的形成，并诱发免疫反应。
步骤3—细胞功能紊乱损伤而导致毒性
毒性中药与靶分子反应可能会引起细胞功能失调（图2-1）。细胞器官的协调活动有赖于每个细胞能执行精确的程序，长期程序决定细胞的命运，即细胞分裂、分化或凋亡；短期程序控制分化细胞进行的活动，决定其分泌物质的多少，紧张或松弛，转运或代谢营养成分的节奏。为了执行这些程序，细胞必须具有系统、完整的结构和功能，并相互协调，当药物或终极毒物引起的细胞功能紊乱时，必然会导致细胞毒性。
药物引起的细胞功能紊乱与靶分子功能有关，如靶分子与调节作用有关，可呈现基因表达失控和（或）短暂的细胞活动失调；若靶分子主要与细胞内部维持作用有关，则产生的功能紊乱可影响细胞生存；如药物与行使细胞外部功能的靶点作用，则能影响其他细胞及由它组成的器官或系统的活动。
根据靶分子受影响的情况，毒性药物引起的细胞功能紊乱可分为以下几种类型。
1.中药毒物引起的细胞调节功能紊乱 细胞受信号分子所调节，信号分子激活与信号转导网络所联系的细胞受体，而信号转导网络将信号传递给基因的调节区域和（或）功能蛋白质，激活受体，最终可导致：①改变基因的表达，增加或减少特定蛋白质的功能。②通过磷酸化使特定蛋白发生化学修饰，从而激活或抑制蛋白质。控制细胞命运的程序主要影响基因表达，而调节日常活动的程序主要影响功能蛋白质的活性。由于信号网络的分支和交互联系，一个信号常常触发两类应答。
（1）基因表达失调：药物分子可通过直接作用于顺式作用元件，也可通过作用于转录环节、细胞内信号通路环节和细胞外信号分子的合成、贮藏或释放环节，导致基因表达失调。如刺梨中含有的烷化剂物质亚硝酸胺等干扰细胞内信号传导系统引起胸腺细胞凋亡。药物在中毒剂量时，能通过干扰信号传导的任何步骤影响细胞活动，使细胞活动失调。
（2）转录失调：遗传信息从DNA转录到mRNA，主要通过一系列转录因子（transcription factor，TF）与基因调控或启动子区的相互作用。通过与该区域核苷酸序列结合，活化的TF促进前启动复合物形成，启动相邻基因的转录。药物可与基因启动区域、TF或转录前复合物相互作用，从而影响转录。药物可模拟内源配基（如激素）与TF结合，影响基因表达。
（3）信号转导失调：许多细胞外信号分子，如细胞因子、激素、生长因子等，最终都能活化TF。磷酸化是TF最常见的活化机制，蛋白激酶和磷酸酶控制着信号分子激活TF的磷酸化，任何干扰信号转导的因素，都能影响TF对基因表达的调节。
（4）信号产生失调：益肾填精类中药可调节下丘脑垂体激素，而垂体激素作用于外周内分泌细胞的表面受体，促进其分泌外周激素，同时垂体激素的产生又受到外周激素的负反馈调控。
（5）细胞活动失调：细胞的活动由膜受体信号分子调控，膜受体通过调节Ca2+进入胞浆或刺激细胞内第二信使，改变磷酸化蛋白的活性，并立即产生细胞功能改变的级联反应。某些中药成分如川芎嗪、葛根素，在中毒剂量时，能干预膜受体、Ca2+，从而严重影响细胞的正常功能。
1）可兴奋细胞失调：一些药物能影响可兴奋细胞的活动，如神经细胞，骨骼肌、心肌和平滑肌细胞。药物引起的瞬息细胞活动障碍可能是由于下述四个方面的改变：①神经递质浓度。药物可干预递质合成、储存和释放，或从受体附近去除递质。乌头类中药通过破坏Ca2+通道转运的ATP酶，造成Ca2+运输障碍，使神经冲动传递过程中神经递质积累过多，导致神经元死亡。②药物-神经递质受体相互作用。可分为直接和递质受体作用的激动剂和拮抗剂，间接影响配基与受体结合的激动剂和抑制剂。乌头类中药还可通过影响与疼痛有关的中枢内源性神经递质［如5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）、儿茶酚胺、乙酰胆碱（acetylcholine，Ach）、内啡肽等］与相应受体结合，产生神经毒性。③药物-信号转导相互作用。一些药物可通过干预信号转导过程而改变神经和（或）肌肉活动。许多植物、动物毒素和合成毒物可激活电压门控Na+通道，增强由配基-门控正离子通道产生的兴奋信号，而阻断该通道则起相反作用，如麻痹。④药物-信号终端相互作用。抑制正离子输出可延长细胞的兴奋，如洋地黄毒苷抑制Na+_K+_ATP酶，增加细胞Na+浓度，使Ca2+／Na+交换而减少Ca2+输出，导致细胞Ca2+积聚，增强心肌收缩性和兴奋性，甚至造成严重心律失常。
2）其他细胞活动失调：非兴奋细胞也存在许多信号机制，这些过程受到干扰通常较少产生相应结果。许多外分泌细胞由M胆碱受体调控，如曼陀罗、天仙子以及莨菪等含有的阿托品类成分，是M胆碱受体阻滞剂，可使人体出现抗M样作用，抑制周围神经交感神经功能，兴奋中枢神经。
2.中药毒性成分引起的细胞维持功能紊乱 许多毒物能干扰细胞维持功能。在多细胞机体内，细胞必须维持其本身的结构与功能完整，并对其他细胞提供支持功能。一旦这些功能的执行被中药毒性成分所破坏，即导致毒性反应。
（1）细胞内维持受损（中毒细胞死亡机制）：细胞为了生存必须合成内源性分子，整合大分子复合物、膜和细胞器以维持其内环境稳定，并产生能量供机体生命活动。药物干扰这些功能可影响细胞的生存，导致中毒细胞死亡的主要机制有以下几个方面。
1）ATP耗竭：ATP作为生物合成的化学物质和能量的主要来源，在细胞维持中起核心作用。它在肌肉收缩、细胞骨架的聚合作用、细胞运动、细胞分裂、囊泡转运、细胞形态的维持等方面都是不可或缺的。ATP驱动离子转运蛋白，如质膜的Na+__K+__ATP酶、质膜和内质网膜的Ca2+_ATP酶、溶酶体膜，以及含神经递质的囊泡H+_ATP酶。这些泵维持了各种细胞功能所必需的条件，例如，由Na+_K+泵形成的穿质膜Na+浓度梯度，驱动Na+_葡萄糖和Na+__氨基酸协同转运蛋白及Na+／Ca2+反向转运蛋白，促使这些营养素的进入和Ca2+移动。
药物从以下五个方面干扰线粒体ATP合成：①干扰氢向电子传递链（呼吸链）传递，如一些清热中药黄芩、黄连、黄柏。②抑制电子沿电子传递链转移到分子氧，如鱼藤酮和氰化物。③干扰氧传递到终末电子转运蛋白-细胞色素氧化酶。④抑制ATP合酶（氧化磷酸化的关键酶）的活性。⑤引起线粒体DNA损伤，从而损害由线粒体基因组编码的特定蛋白质（如复合物Ⅰ亚单位和ATP合酶）合成，如补骨脂中的补骨脂素、麻黄中的麻黄碱。
2）细胞内Ca2+的持续升高：细胞内Ca2+水平是受到严格调控的。毒物通过促进Ca2+向细胞质内流或抑制Ca2+从细胞质外流而诱导胞质Ca2+水平的升高。配体或电压门控的Ca2+通道开放或质膜损伤会引起细胞外液与细胞质之间Ca2+浓度梯度降低。毒物也可诱导Ca2+从线粒体或内质网漏出而增加胞质Ca2+，或通过抑制Ca2+转运蛋白或耗竭其驱动力而减少Ca2+的外流。细胞内Ca2+的持续升高，可能导致能量储备的耗竭、微丝功能障碍、水解酶的活化、ROS和RNS的生成。
（2）细胞外维持受损：药物也可干预细胞对其他细胞、组织和器官提供的支持。例如肝细胞从循环除去胆固醇和胆红素，分别将其转化为胆酸和胆红素葡萄糖醛酸苷，继而将它们排入胆汁消除。药物中断这些过程将对机体和肝脏造成损害。药物还可影响肝脏产生凝血因子，虽然并未损伤肝脏本身，却可导致机体出血致死。
步骤4—分子、细胞、组织水平修复功能紊乱
毒性发展的第四步为修复紊乱（图2-1）。许多药物能改变生物大分子，如果不予修复，可导致机体受到更高层面的损害。修复的机制可发生在分子层面，涉及蛋白质、脂质和DNA；亦可发生在细胞组织层面，体现为凋亡和增生。修复功能紊乱这种情况同样可发生在分子、细胞和组织水平，表现为组织坏死、纤维化和化学致癌。
1.修复机制
包括分子修复和组织修复。受损害的分子可以以不同的方式修复，某些化学改变如蛋白质巯基的氧化和DNA的甲基化可被简单地逆转，而有些受损分子则需要完全降解并重新合成后才能被有效地修复。
（1）蛋白质修复：巯基被氧化将使许多蛋白质如受体、酶、结构蛋白和TF等功能受损。巯基被氧化的蛋白质，可以通过调控还原型辅酶Ⅱ（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）参与的还原作用而将被氧化的巯基还原。而亚铁血红蛋白被氧化生成的高铁血红蛋白则需要依赖于高铁血红蛋白还原酶来还原。此外对于其他受损蛋白质，也可通过水解而消除，或被ATP／泛素依赖性蛋白酶体清除。
（2）脂质修复：过氧化脂质（lipoperoxide，LPO）的修复涉及一系列的还原剂和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）；含有脂肪酸过氧化物的磷酸，易于被磷脂酶A2水解，由正常脂肪酸代替过氧化脂肪酸。而还原酶的恢复还需要NADPH的参与。
（3）DNA修复：尽管DNA极易与亲电物质和自由基反应，但核内DNA还是非常稳定的。原因是它一方面被包裹于染色体中，另一方面还有几种修复机制（包括直接修复、切除修复、重组修复等）来纠正这一改变。但是，由于线粒体DNA缺乏组蛋白的保护和有效的修复机制，因而更易受到中药毒性成分损伤。
（4）细胞修复：细胞损伤的修复并不多见，大多数组织的细胞在受到损伤后就会死亡，剩余的活细胞会分裂并取代丢失的细胞。成熟的神经组织没有增殖能力，但外周神经轴损伤后需要巨噬细胞和施万细胞参与修复。巨噬细胞通过吞噬作用除去碎屑，并产生细胞因子激活施万细胞增生，同时产生神经生长因子（nerve growth factor，NGF），在细胞表面NGF受体分泌神经细胞黏附分子和细胞基质分子。在与新生的轴突一起移行时，施万细胞起到向导作用，并诱导轴突与靶细胞的连接。
（5）组织修复：对于具有细胞增殖能力的组织，受损细胞通过凋亡或坏死而清除，受损组织则通过细胞增殖和再生而修复。
2.细胞应激机制 细胞应激指细胞处于不利环境和遇到有害刺激时所产生的防御或适应性反应。细胞应激分为氧化应激、内质网应激和遗传毒性应激。细胞应激涉及从细胞能量代谢、蛋白质合成与加工、细胞内环境稳态的建立与维持、细胞遗传物质损伤的识别与修复、细胞增殖与细胞周期的调控和细胞存活与凋亡等生命活动所有过程。一方面，细胞应激是机体面对有害因素刺激的防御性反应，有利于维持机体内环境的相对稳定；另一方面，细胞应激过程引起细胞信号转导的迅速改变，某些重要信号分子或信号通路的改变可能损害细胞的正常功能。细胞应激与衰老、恶性肿瘤、心脑血管疾病、机体炎症反应、胰岛素抵抗和2型糖尿病、非酒精性脂肪肝病和先天性出生缺陷等人类重要疾病的发病过程密切相关。
（1）氧化应激：氧化应激的应激源主要为自由基、ROS或RNS。通常引起机体发生氧化应激的自由基包括羟自由基、超氧阴离子自由基、氯离子自由基和一氧化氮分子自由基。生理状态下，ROS和RNS是机体维持多种重要生理功能的物质基础。当机体因毒物暴露而产生过多自由基、ROS或RNS，或因机体抗氧化能力减弱引起ROS或RNS清除能力减弱，细胞内自由基、ROS或RNS过量，破坏了机体的氧化／还原的正常平衡，导致组织和细胞发生氧化应激。
（2）内质网应激：内质网是细胞内重要的细胞器，蛋白质和脂质合成、加工、折叠和运输均在内质网进行。内质网蛋白质加工和包装需要内质网特异性分子伴侣如葡萄糖调节蛋白78的协助。当细胞内质网受损或需要加工和包装的蛋白质合成增加，即引起内质网应激和未折叠蛋白反应。
（3）遗传毒性应激：人体细胞启动自身防御网络系统使遗传物质DNA免受外源遗传毒物损伤的过程称为遗传毒性应激。遗传毒性应激反应的应激原主要有遗传毒性致癌剂和致突变物、紫外线和放射性核素，大多数化疗药物，也包括细胞正常生命过程产生的某些代谢产物（如自由基和ROS）。
3.修复障碍引起的毒性作用 虽然修复机制发生在分子、细胞和组织水平，但有时不能对损伤起减轻、逆转作用。首先，某些损伤的修复可能被遗漏；其次，损伤程度超过机体修复能力时，修复失效；此外，修复所必需的酶或辅助因子被消耗时，修复能力降低；最后，某些毒性损害不能被有效地修复。例如，当出现毒性成分共价结合于蛋白质时，机体不能有效地修复；当机体修复机制崩溃、耗竭或削弱时，毒性成分即对机体产生毒性作用。许多毒性类型可同时涉及不同水平的修复障碍，其中严重的结果有组织坏死、纤维化和致癌。
（1）组织坏死：如果分子修复机制失效或分子损伤不可逆转，细胞损伤就可转化为细胞坏死。组织出现坏死是由于药物剂量过高，使损伤超过机体的修复能力，或机体各种修复能力相对不足。
（2）纤维化症状：是一种以异常组分在细胞外过度沉积为特征的病理状态。修复不全是纤维化的主要因素。细胞损伤激发大量细胞增生和细胞外基质生成。细胞外基质生成如果没有及时终止，就发展为纤维化症状。如菊科的千里光属、紫草科的紫草属植物等含有不饱和酯型吡咯双烷生物碱，在病变后期引起网状纤维塌陷，出现肝纤维化的表现。
（3）致癌：化学致癌与多种修复失败及修复功能障碍有关，包括：①DNA修复失败。通过DNA复制导致突变固定，并最终引起原癌基因活化和抑癌基因失活。②细胞凋亡失败。促进突变和癌前细胞的克隆扩展。③细胞增殖终止失败。增加突变概率，引起原癌基因过表达，启动细胞克隆扩展形成结节和肿瘤。