111 年 國立成功大學環境醫學研究所乙組《毒理學》

本題主要在於理解半致死劑量 (LD50) 的定義、其在毒物學上的意義，以及如何透過劑量-反應曲線來比較不同毒物的毒性。

LD50 的定義：
LD50 (Lethal Dose 50%) 是指在特定暴露途徑下，造成試驗動物群體中 50% 個體死亡的單一劑量。它是一個常用的指標，用來衡量化學物質的急性毒性。LD50 值越低，表示該物質的急性毒性越高。

列舉的毒物 LD50 值（請注意，這些數值可能因研究方法、動物種類、暴露途徑等因素而異，以下為常見參考值）：

• Botulinum toxin (肉毒桿菌毒素): 極低，約 0.00001 mg/kg (經口) 或更高 (注射)。這是已知毒性最強的物質之一。
• Morphine (嗎啡): 約 200-500 mg/kg (經口，對大鼠)。
• PCB (多氯聯苯): 差異很大，取決於具體同源物和混合物，一般範圍約 1-100 mg/kg (經口，對大鼠)。
• Table salt (食鹽, NaCl): 約 3000-4000 mg/kg (經口，對大鼠)。
• TCDD (2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin, 四氯戴奧辛): 極低，約 0.001 mg/kg (經口，對豚鼠)。

劑量-反應曲線與毒性比較：

我們需要繪製兩條劑量-反應曲線，代表兩種毒物 A 和 B，並滿足以下條件：

1. $LD50A > LD50B$：表示毒物 B 的 LD50 值較低，代表其急性毒性較高。

本題主要考查藥物在體內的吸收過程，特別是弱酸性藥物（如阿斯匹靈，即水楊酸）在不同 pH 環境下的解離狀態及其對吸收的影響。

水楊酸 (Salicylic Acid) 的定義與 pKa 值：
水楊酸，化學式為 $C_7H_6O_3$，是一種有機酸，也是阿斯匹靈 (Aspirin, acetylsalicylic acid) 的代謝產物。它具有抗炎、鎮痛和解熱作用。
pKa 是指酸的解離常數，表示該酸在水中解離一半時的 pH 值。對於水楊酸，其 pKa 值約為 3.0。

pH 值對水楊酸在胃黏膜的分配與吸收的影響（圖示說明）：

水楊酸是一個弱酸。根據 Henderson-Hasselbalch 方程式，弱酸的解離狀態與其 pKa 和環境 pH 值有關：
$\frac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]} = 10^{(\text{pH} - \text{pKa})}$
其中 $[\text{A}^-]$ 是其共軛鹼（解離態），$[\text{HA}]$ 是其未解離的酸（未解離態）。

1. 胃部 (pH 約 1.5 - 3.5)：
   • 當胃部的 pH 值接近或低於水楊酸的 pKa (3.0) 時，pH - pKa 的值接近或為負數。
   • 根據公式，當 pH < pKa 時，$[\text{HA}] > [\text{A}^-]$。這意味著在胃部，大部分水楊酸是以未解離的分子形式 (HA) 存在。
   • 未解離的弱酸分子 (HA) 具有較高的脂溶性 (lipophilicity)，更容易穿透細胞膜 (如胃黏膜細胞膜)。
   • 因此，在胃部，水楊酸的吸收效率相對較高。

本題旨在考察外源性化合物 (xenobiotics) 的生物轉化 (biotransformation) 機制，包括第一階段和第二階段反應、相關酵素，以及這些轉化過程對化合物排泄和毒性的影響。

苯 (Benzene) 的第一階段和第二階段生物轉化反應及其酵素：

苯是一種芳香烴，其生物轉化主要發生在肝臟，涉及細胞色素 P450 (CYP) 酶系。

• 第一階段反應 (Phase I Reactions)：

  • 目的： 引入或暴露極性官能基（如羥基 -OH、胺基 -NH2、羧基 -COOH），增加分子的反應性，為第二階段反應做準備。
  • 主要反應類型：
    • 氧化 (Oxidation)： 苯的生物轉化主要就是氧化。
    • 還原 (Reduction)
    • 水解 (Hydrolysis)
  • 負責酵素：
    • 細胞色素 P450 酶系 (Cytochrome P450 enzymes, CYP)： 這是最主要的酶系，特別是 CYP1A1、CYP1A2、CYP2E1 等。
    • 黃素酶 (Flavin-containing monooxygenases, FMOs)
    • 醇脫氫酶 (Alcohol dehydrogenases, ADHs)
    • 醛脫氫酶 (Aldehyde dehydrogenases, ALDHs)
  • 苯的具體反應： 苯首先被 CYP 酶催化氧化，形成苯酚 (phenol)。苯酚進一步氧化可形成兒茶酚 (catechol) 和氫醌 (hydroquinone)。這些含羥基的產物是較為極性的。

• 第二階段反應 (Phase II Reactions)：

  • 目的： 將第一階段產物或未經第一階段處理但本身含有極性官能基的化合物，與內源性分子（如葡萄糖醛酸、硫酸、穀胱甘肽、乙醯基）結合，形成更極性、水溶性更高、更易於排泄的產物。
  • 主要反應類型（結合反應, Conjugation）：
    • 葡萄糖醛酸結合 (Glucuronidation)： 由 UDP-葡萄糖醛酸基轉移酶 (UGTs) 催化。
    • 硫酸結合 (Sulfation)： 由硫酸轉移酶 (SULTs) 催化。
    • 穀胱甘肽結合 (Glutathione conjugation)： 由穀胱甘肽 S-轉移酶 (GSTs) 催化。
    • 乙醯化 (Acetylation)： 由 N-乙醯基轉移酶 (NATs) 催化。
    • 甲基化 (Methylation)： 由甲基轉移酶 (MTs) 催化。
  • 苯的具體反應： 苯酚、兒茶酚、氫醌等第一階段產物，可以與葡萄糖醛酸或硫酸結合，形成水溶性更強的產物，如苯酚葡萄糖醛酸苷和苯酚硫酸酯，這些產物主要通過尿液排出。

表格總結：

本題考查食品安全領域中關於殘留物的幾個重要概念：每日可接受攝入量 (ADI)、每日耐受量 (TDI) 和最高殘留限量 (MRL)，以及這些數值如何確定及其安全性的考量。

名詞定義：

1. ADI (Acceptable Daily Intake, 每日可接受攝入量)：

   • 定義：指一個人在一生中，每天攝入某種食品添加劑（或農藥殘留）的劑量，而該劑量被認為不會對健康產生可察覺的風險。
   • 單位：通常為 mg/kg 體重/天 (mg/kg bw/day)。
   • 確定方法：基於動物實驗數據，找出 NOAEL (No Observed Adverse Effect Level, 無不良反應觀察劑量)，然後除以一個安全係數 (Safety Factor, SF，通常為 100)。
   • $\text{ADI} = \frac{\text{NOAEL}}{\text{SF}}$

2. TDI (Tolerable Daily Intake, 每日耐受量)：

   • 定義：與 ADI 概念類似，但 TDI 通常用於評估環境污染物（如重金屬、持久性有機污染物）或由多種來源攝入的物質。它代表在評估期內，每天通過所有來源攝入某物質的總量，被認為對大多數個體沒有風險。
   • 單位：通常為 mg/kg 體重/天 (mg/kg bw/day)。
   • 確定方法：與 ADI 類似，也基於動物實驗數據，找出 NOAEL，並除以安全係數。

3. MRL (Maximum Residue Limit, 最高殘留限量)：

   • 定義：指在食品或飼料中允許存在的某種農藥（或其他化學物質）的最高濃度。MRL 是在考慮了農藥的毒性（通過 ADI 或 TDI 評估）以及其在作物上的實際使用情況（最大允許使用量、殘留期等）後，根據優良農業規範 (Good Agricultural Practice, GAP) 所設定的。
   • 單位：通常為 mg/kg 或 ppm (parts per million)。
   • 目的：確保即使消費者攝入的食品中含有該農藥殘留，總攝入量也不會超過 ADI 或 TDI。

ADI、TDI 和 MRL 的確定圖示：

（請想像一張流程圖或示意圖）

圖示說明：

1. 毒理學評估 (Toxicological Assessment)：

   • 輸入： 動物毒性實驗數據（急慢性毒性、致癌性、生殖發育毒性等）。
   • 步驟：
     • 找出 NOAEL (No Observed Adverse Effect Level) 或 LOAEL (Lowest Observed Adverse Effect Level)。
     • 選擇適當的 安全係數 (SF) (通常為 100，考慮到物種間和個體間差異)。
     • 計算 ADI 或 TDI：$\text{ADI/TDI} = \frac{\text{NOAEL}}{\text{SF}}$
   • 輸出： ADI 或 TDI 值。

2. 農業實踐評估 (Agricultural Practice Assessment)：

   • 輸入：
     • 農藥的標籤使用說明（使用方法、施用劑量、施用次數）。
     • 作物對農藥的吸收、代謝和降解動力學數據。
     • 從田間試驗獲得的作物中農藥殘留數據。
   • 步驟：
     • 確定 最大允許使用量 (Maximum permitted use levels) 和 殘留期 (Pre-harvest interval, PHI)。
     • 基於優良農業規範 (GAP)，預測在符合規範使用情況下，作物中農藥殘留的最高預期值。

本題考查飲食與癌症風險的關聯，要求列舉飲食中可能致癌和抗癌的因子。

飲食中可能致癌的因子 (Carcinogenic Factors in Diet)：

以下為一些與癌症風險增加相關的飲食因子：

1. 紅肉和加工肉製品 (Red Meat and Processed Meats)：

   • 機制： 高溫烹調（如燒烤、油炸、煙燻）會產生多環芳香烴 (PAHs) 和雜環胺 (HCAs)。加工肉製品（如香腸、培根、火腿）常含有亞硝酸鹽，在胃酸作用下可能形成亞硝基化合物 (N-nitroso compounds)，這些都是已知的致癌物。紅肉中的飽和脂肪和膽固醇也可能與某些癌症（如大腸癌）風險增加有關。
   • 關聯癌症： 大腸癌、胃癌、胰腺癌。

2. 過量飲酒 (Excessive Alcohol Consumption)：

   • 機制： 酒精 (乙醇) 在體內代謝產生的乙醛 (acetaldehyde) 是一種確定的人類致癌物，會損傷 DNA。酒精還能增加細胞對其他致癌物的吸收和反應性，並影響營養素代謝。
   • 關聯癌症： 口腔癌、咽喉癌、食道癌、肝癌、乳癌、大腸癌。

3. 高溫烹調的澱粉類食物 (High-Temperature Cooked Starchy Foods)：

   • 機制： 澱粉類食物（如馬鈴薯、麵包）在高溫油炸或烘烤時，可能產生丙烯醯胺 (acrylamide)，一種潛在致癌物。
   • 關聯癌症： 雖然直接關聯尚在研究中，但被認為可能增加多種癌症風險。

4. 黴變食物 (Moldy Foods)：

   • 機制： 儲存不當的穀物、堅果等可能被黴菌污染，產生黃麴毒素 (aflatoxins)。黃麴毒素是強致癌物，特別是黃麴毒素 B1。
   • 關聯癌症： 肝癌。

5. 高鹽飲食 (High Salt Intake)：

   • 機制： 高鹽可能損害胃黏膜，增加幽門螺旋桿菌感染的風險，並促進亞硝基化合物的生成。
   • 關聯癌症： 胃癌。

6. 飲食中缺乏纖維和抗氧化物 (Low Fiber and Antioxidant Intake)：

   • 機制： 雖然這是「缺乏」某物，但其結果是增加癌症風險。例如，纖維不足可能導致腸道內容物滯留時間延長，增加接觸致癌物的時間。抗氧化物不足則使細胞更容易受到氧化損傷。
   • 關聯癌症： 大腸癌、其他多種癌症。

飲食中可能抗癌的因子 (Anticancer Factors in Diet)：

以下為一些與癌症風險降低相關的飲食因子：

本題主要考查基因毒性 (Genotoxicity) 的概念以及安氏測試法 (Ames test) 的原理和應用。

何謂基因毒性 (Genotoxicity)？

基因毒性是指一種物質或輻射能夠直接損傷遺傳物質 DNA (Deoxyribonucleic Acid) 或 RNA (Ribonucleic Acid)，或引起染色體結構或數目的異常。這種損傷可能導致：

1. DNA 損傷： 例如 DNA 鏈斷裂、鹼基錯配、DNA 錯合物形成 (adducts) 等。
2. 基因突變 (Gene Mutation)： DNA 序列的改變，如點突變（鹼基替換）、插入或缺失。
3. 染色體畸變 (Chromosomal Aberrations)： 染色體結構的改變（如斷裂、重排、缺失）或數目的改變（如異倍體）。

具有基因毒性的物質（基因毒性物質，genotoxins）可能導致細胞功能障礙、細胞死亡，或在細胞修復機制失效時，引發細胞癌變（致癌性）。因此，基因毒性是評估化學物質潛在致癌風險的重要指標。

安氏測試法 (Ames Test) 的測試原理：

安氏測試法（又稱細菌回覆突變試驗）是由 Bruce Ames 開發的一種體外試驗，用於篩選化學物質的基因突變潛力，特別是點突變。其基本原理是利用一種對特定突變敏感的細菌株，檢測該化學物質是否能引起細菌的基因突變，使其能夠在特定的培養基中生長。

測試原理步驟：

1. 使用特殊菌株 (Special Bacterial Strains)：

   • 選用的細菌（通常是沙門氏菌, Salmonella typhimurium）經過基因改造，使其在一個或多個必需胺基酸（如組胺酸，histidine）的生物合成基因上帶有特定的突變。
   • 這些突變使得細菌在缺乏該必需胺基酸的培養基上無法生長。
   • 例如，菌株可能帶有組胺酸操縱子的點突變 (point mutation)，導致細菌無法合成組胺酸。

2. 誘導突變 (Inducing Mutations)：

   • 將待測化學物質（測試物）添加到培養基中，與這些突變菌株共同培養。

本題考查化學致癌物 (Chemical Carcinogens) 誘發腫瘤產生的多步驟過程及其分子機制。

化學致癌物誘發腫瘤產生的步驟 (Steps in Chemical Carcinogenesis)：

化學致癌通常是一個多步驟、長期的過程，可概括為三個主要階段：起始 (Initiation)、促進 (Promotion) 和進展 (Progression)。

1. 起始 (Initiation)：

   • 定義： 這是致癌過程的第一步，由致癌物或其代謝活化產物引起，對細胞 DNA 造成不可逆的遺傳損傷（突變）。
   • 機制：
     • 接觸與吸收： 致癌物通過各種途徑進入人體（吸入、食入、皮膚接觸）。
     • 代謝活化： 許多化學致癌物本身並非直接致癌，需要在體內（主要是肝臟）經過生物轉化，由第一階段酶（如 CYP450）催化產生反應性中間產物（如環氧化物、碳陽離子、自由基）。
     • DNA 損傷： 這些反應性中間產物是親電性的，會與 DNA 的鹼基（尤其是鳥嘌呤）發生共價結合，形成 DNA 加合物 (DNA adducts)。
     • 突變產生： 如果 DNA 加合物未能被細胞的 DNA 修復機制及時有效地修復，在細胞複製過程中就可能導致 DNA 序列的永久性改變，即基因突變。
   • 特點： 起始步驟是快速的，一旦發生，細胞就獲得了「轉化」的潛力，即使致癌物已被清除，該細胞及其後代仍帶有突變。

2. 促進 (Promotion)：

   • 定義： 這是第二步，由促進劑 (promoters) 引起。促進劑本身通常不引起 DNA 損傷或突變，但它們能刺激已經發生起始的細胞（即潛在癌細胞）增殖。
   • 機制：
     • 細胞增殖刺激： 促進劑可以通過多種方式誘導細胞過度增殖，例如干擾細胞信號傳導通路，改變細胞生長因子反應，或抑制細胞凋亡。
     • 突變擴展： 由於起始階段產生的突變細胞獲得了增殖優勢，它們會大量分裂，使得最初的 DNA 損傷（突變）被傳遞給大量的子細胞。這增加了發生第二次或更多次突變的機會。
   • 特點： 促進步驟是可逆的（在某些情況下），時間上是延續的，且通常具有組織特異性。

3. 進展 (Progression)：

   • 定義： 這是致癌過程的最後階段，起始和促進的細胞群體會積累更多的遺傳和表觀遺傳改變，導致細胞的惡性表型（如生長失控、侵襲、轉移）逐漸顯現。
   • 機制：
     • 積累額外突變： 在促進過程中，細胞會繼續積累額外的突變，特別是影響癌基因 (oncogenes) 和抑癌基因 (tumor suppressor genes) 的突變。

本題要求列舉兩種重要的粒狀污染物，並闡述它們對肺部健康的危害機制。粒狀污染物 (Particulate Matter, PM) 是懸浮在大氣中的固體或液體微粒，因其大小、成分和來源不同，對健康的影響也各異。

兩種重要的粒狀污染物及其毒性危害機制：

這裡選擇兩種常見且對肺部健康影響重大的粒狀污染物：細懸浮微粒 (PM2.5) 和 石綿纖維 (Asbestos fibers)。

1. 細懸浮微粒 (PM2.5)

• 定義與來源： PM2.5 指的是直徑小於或等於 2.5 微米的懸浮微粒。它們主要來自燃燒過程（如汽車廢氣、工業排放、燃燒生質物）、二次化學反應（如汽車排放的氮氧化物和硫氧化物在大氣中反應生成硫酸鹽和硝酸鹽），以及揚塵等。
• 毒性危害機制：
  • 物理穿透性： 由於其極小的尺寸 (≤ 2.5 μm)，PM2.5 能夠深入肺部最深處，包括肺泡和細支氣管。
  • 炎症反應 (Inflammation)：
    • PM2.5 顆粒及其吸附的有害物質（如多環芳香烴、重金屬、微生物）會被肺泡巨噬細胞 (alveolar macrophages) 吞噬。
    • 巨噬細胞被激活後，會釋放多種炎症介質，如腫瘤壞死因子-α (TNF-α)、白介素 (IL-1, IL-6, IL-8) 和趨化因子 (chemokines)。
    • 這些介質會招募中性粒細胞 (neutrophils) 等免疫細胞進入肺部，進一步加劇炎症反應。
    • 慢性炎症可導致肺組織損傷，纖維化，並影響氣道功能。
  • 氧化應激 (Oxidative Stress)：
    • PM2.5 顆粒本身（特別是過渡金屬成分）和其吸附的醌類化合物等，可以直接產生或誘導細胞產生大量的活性氧 (ROS, Reactive Oxygen Species)。
    • ROS 會損傷細胞成分（DNA、蛋白質、脂質），干擾細胞信號傳導，並加劇炎症反應。
    • 氧化應激被認為是 PM2.5 引起多種肺部疾病（如慢性阻塞性肺病 COPD、哮喘加重、肺癌）的重要機制。
  • 肺功能損害與疾病發生：
    • 呼吸道疾病： 導致或加重哮喘、慢性支氣管炎、COPD。
    • 肺癌： 雖然 PM2.5 不直接是強致癌物，但其誘導的慢性炎症和氧化應激，以及吸附的致癌物質，顯著增加了肺癌的風險。
    • 心血管系統影響： PM2.5 顆粒甚至可以穿透肺泡進入血液循環，引起全身性炎症和血管內皮功能障礙，增加心血管疾病風險。

2. 石綿纖維 (Asbestos Fibers)