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2014年9月12日 星期五

Toxicity is a time-dependent dose-response relationship

相信大多數人一定都有看到最近鬧得很大的餿水油新聞。

有趣的地方是,有些教授出來大喊一滴都不能吃,有些則說放心啦很安全。像是食品藥物管理署就表示,目前沒證據顯示餿水油混製豬油會造成人體危害,而東海大學的蘇正德教授也說:「說有毒請提出科學數字,不然就該閉嘴。」

這到底是怎麼一回事呢?我想一點點毒理學(toxicology)的概念,會對釐清這些雜亂的說法很有幫助。

不過在處理toxicology的概念之前,我想要先強調一下,這次的事件,不管餿水油有沒有毒,都是一件欺騙消費者的行為。油有沒有毒是一回事,消費者在沒有資訊顯示該產品是餿水油的情況下買到餿水油,這是另外一件事。這個油品不符合一般生產程序的標準,卻沒有揭露資訊,這本身就是一個完全不能被接受的事情。

有了這個認知之後,就讓我們跳進去毒不毒的戰場,稍微看一下毒理學倒底是怎麼定義一個東西有沒有毒的。

講到毒理學,最直觀的認知,就是這是研究有毒物質(poisons/toxicants)的一門學科。基本上,任何物質只要會對人體造成傷害(harmful effects),那麼我們就會把它認定為是有毒物質。

有了這個認知,就會進入到理解毒性(toxicity)的第一個障礙:那到底什麼東西是有毒的呢?

要回答這個問題,用我以前在這個blog的文章就引用過,Paracelsus說的那句話來解釋最恰當了:"All things are poison and nothing is without poison; only the dose makes a thing not a poison”。

這句話主要是在說,任何東西,都可以是有毒物質,也都可以是沒有毒的物質。決定這東西有沒有毒,最關鍵的因素,是你吸收的量。以我們每天吃的鹽裡面含有的鈉來說,我們每天吃那麼多鹽,一輩子累積起來更多,但好像也沒怎樣,所以我們會很直觀的認為,鈉應該是沒有毒的物質。

但其實在醫學上有個疾病,叫做高血鈉症(hypernatraemia,一樣中文翻譯我不太確定,若翻錯還請指教),是一個相當嚴重的疾病,弄不好會造成病人昏迷(coma),甚至是會死人的。所以要說鈉沒有毒,其實完全是不正確的說法,只是它會產生毒性的量高到你通常不會遇到這種狀況就是了。

因為Paracelsus這句話太有名,所以基本上稍微有一點點毒理學常識的人一定都知道這句話,或至少知道這個概念,也因此很多人就以為毒不毒就是由量來決定,所以遇到這類問題只要關心量就好。像是蘇正德教授那個很好笑的推估方法,基本上就是在告訴你,因為餿水油內含有的有害物質劑量很低,所以你可以不用擔心吃了餿水油會對健康有所危害。


(蘇教授舉世無雙的推算法)



(蘇教授自己臉書上較完整的聲明,全文請見連結



蘇教授的說法,基本上就是量的問題,所以他才會質疑,到底要吃多少才會有毒。另外他還稍微沾到了一點劑量(dosage)的邊,不過這個等等我們再來處理。

所以以量這個概念來看,蘇教授說得其實沒錯,如果只說毒、說對健康有危害,但卻不提是在什麼樣的量下有危害,那麼這是一個0分的毒理學報告。

而蘇教授想要告訴你的,是根據他的估算,餿水油裡有害物質的含量,絕對沒有高到會對健康造成危害。

可是他用的,卻是一個舉世無雙的估算法。

這個估算法蠢在哪裡呢?我簡單舉一個例子:我們都知道龜殼花很毒,但如果我們把一年被龜殼花咬的臺灣人數量,乘上龜殼花每次咬人的平均吐毒量,算出一年龜殼花注到人體內的總吐毒量,然後去除以臺灣一半的人口數,搞不好也會得到平均每個人分到的龜殼花毒夜量不足以致死的結論,難道這可以用來說明龜殼花的毒液沒有危害嗎?

正確的做法,很明顯應該是算出龜殼花的毒在什麼樣的量下會致死,然後再看看龜殼花每次咬人的吐毒量是否高過這個量吧?

所以同樣的道理,當我們用研究指出,餿水油的A成份在X這個量以下完全觀察不到任何對人體有害的影響,那我們就說,我們認為只要A成份的服用量在X這個量以下,在統計上來說,對大多數人不會有健康上的危害。但你不能推估成每個人都不會吃到這個量,因為你永遠不知道今天是不是有人就是喜歡跟蘇教授一樣,沒事就上節目灌一杯油。

但是光知道量是不夠的。因為這無法幫助我們定義有害影響(harmful effects)這件事。

舉例來說,今天A物質吃10公克會造成頭痛欲裂,這是一種有害的影響(harmful effect),所以當然算是有毒性(toxicity),但這個毒性比起吃了10公克就會死人的B物質,顯然就沒有那麼嚴重。但如果光講有毒,10公克的量吃下去,兩者都產生了有害的影響(harmful effects),所以都有毒性(toxicity),可是明明嚴重性就是不一樣的,如果不提這個影響是什麼,就會造成混淆。

而且這有時候是無法比較的事情,譬如說今天B物質吃10公克造成的影響是肚子痛,你就很難去比較到底在10公克這個量下,是A比較毒還是B比較毒。也有可能是A在10公克的時候會造成頭痛,B在20公克的時候才會造成頭痛,但A加到30公克,你還是頭痛,B加到30公克,卻會死人。在這樣的狀況下,你要怎麼評估A和B誰比較毒?

所以毒理學要精確的描述毒性這件事情,第二個必要的步驟,就是必須對「有害的影響」到底是什麼,作出詳細的描述。同時,由於在同一個量下,有害的影響很可能不止一種,所以我們在做描述時,必須把每一種都描述清楚。

如果放到這個輪廓下去看,就會發現毒性的意義,是在描述量與有害影響的關係,而毒理學的研究,就是在研究這樣的關係(The relationship between dose and its effects on the exposed organism, wiki)。

你可以看到在上面那句英文描述裡,用了四個英文字,叫做on the exposed organism。這是因為,不同的動物對於不同的物質,在不同量下,會有不同的毒性反應。像狗對於巧克力裡的甲基黃嘌呤(methylxanthines)就很敏感,人的話至少我是沒看過有吃巧克力吃到死的例子。而我們的毒理實驗,一般又都是在實驗動物身上做的,所以報導使用的動物有其重要性,譬如對果蠅有毒,跟對猿猴有毒,意義就可能非常不一樣。

且即使在人類族群中,不同人種、性別和年齡,很可能也有不同的影響,所以做出區隔也是很重要的。

解釋完量和影響,接下來會碰到的問題就是這個量是怎麼給的,也就是上面我說蘇教授有沾到邊的劑量(dosage)問題。

這邊再舉個例子,譬如說我今天看到文獻報導,說A物質在10毫升的量下,打入體循環中,對老鼠是無害的。於是我就拿起針筒,瞄準老鼠的尾靜脈,一次把10毫升的A給打進去,卻發現老鼠死了。

結果我回去翻文獻仔細一看,原來人家雖然總共是打了10毫升,但是是以每分鐘1毫升的速率在打,我卻是一秒鐘就進去了。

這會有什麼差別?

這樣說好了,我們每天吃鹽,吃進肚子裡的鈉的「總量」,除以你體內的血液量,算算出來的濃度,一定超過會造成高血鈉症的濃度(hypernatraemia,根據wiki顯示,只要plasma sodium concentration to above 157 mEq/L,就會造成嚴重的症狀,隨便算也超過),可是我們並不會因為這樣就被鈉給毒死。為什麼呢?因為我們會代謝,會把多餘的鈉排泄掉,會把它拿去合成其他東西。所以我們吃鈉的「速率」,其實並不足以讓我們血液裡的鈉,達到會讓你產生高血鈉症的量。

所以更精確地說,我們還必須報導給藥的速率,看看一天吃多少,或每分鐘給多少,然後才能做成較完整的量與時間關係圖。

從這邊也可以帶出另外一個概念。

當我們在給藥的時候,譬如說每天能給老鼠最多但維持老鼠不死的劑量是100公克(就是超過100公克,老鼠就死了這樣),這是唯一可以立即發現的負面效果,低於每日100公克,老鼠在當天,並不會有任何的異狀。

可是當我們把時間拉長,發現雖然給老鼠每天90公克,老鼠不會死,當天也不會有任何症狀,但是這些每天給90公克藥物的老鼠,在連續給了一個月後,有超過70%都得到了癌症。這時候我們就知道,原來在90公克/天的狀況下,給藥給一個月,老鼠會得癌症,所以顯然A物質在90公克/天的劑量下,並不是沒有毒性的。

要描述這個事情,你會發現,我們又多了一個時間常數要考慮。所以如果我們把這些條件都考慮進去,就會得到一個比較完整的毒理學概念,那就是毒理學是在不同的時間軸上,用不同的劑量(dosing regimen),去研究量和有害反應(dose-response relationship)的科學。

在這樣的概念下,如果用簡單的二分法去區分,我們可以依照時間軸的不同,把毒性研究分成急性(acute toxicity)和慢性(chronic toxicity)兩種。像是前面說的給老鼠一次吃超過100公克的藥,老鼠就會死,這就是屬於急性的。而每天吃九十公克的藥(dosing regimen),連續吃一個月(time),老鼠會得癌症(dose-response relationship),這就是屬於慢性的。

【講了那麼多,對於藥理學有概念的朋友,應該會發現這和藥理學學的東西很像吧?其實毒理學就是藥理學的一個分支,只是一個是專注在"desire effects",另一個是專注在"undesire, harmful effects",所以如果你有藥理學的基礎,直接用藥物動力學(PK)和藥物效力學(PD)的概念去理解,把字首的pharmaco改成toxico,就會很容易明白了。】

這些就是最基本的毒理學概念,那麼這些概念對於了解到底餿水油毒不毒有什麼幫助呢?

這就牽涉到一些實務上的問題了。

這樣說好了,在上面的簡介中,我已經大致說明了毒理學量(quantitiative)的部分,也說明了質(qualitative)的成份,所以說當我們在描述每一個物質的毒性時,都必須說明自己講的是在什麼樣的量下,產生了什麼樣的毒性(譬如100公克,死;20公克,頭痛)。但我也說明了一種物質產生的有害影響可能不止一種,常常都是包山包海的,那你怎麼知道當你在做毒理學研究時,要把哪些項目納入實驗的測量當中呢?

這樣的問題對某些難以觀察,特別是慢性的毒性來講,是非常大的困擾。因為有些慢性的毒性症狀,譬如說癌症,或著失智、阿滋海默症等等,如果不先放進來評估,很可能在較短的時間軸下不會遇到。另外一些則是沒那麼嚴重,又不易觀察的,譬如說頭痛,如果沒有預先設計,以老鼠來說,你要怎麼知道你的老鼠正在頭痛呢?更有甚者,有些毒性對於這一代的個體是不會有影響的,他影響的是下一代(reproductive/developmental/teratogenic toxicity),這種你不特別囊括在要測量的項目中,為他去設計實驗,其實是非常容易漏掉的。

以藥物來說,我們有一些固定的規章可以跟隨。我相信食品也有,但我不是那麼了解,所以還是以藥物來舉例。下面這張取自ICH的規章,就很完整的統整了在前臨床測試期,需要囊括在內的毒性測試項目:





圖中所列的,像是S1的致癌性、S2對遺傳物質的傷害性、S5剛剛提過的對下一(幾)代的毒性等等,這些都被認為是比較嚴重的毒性,所以在新藥的臨床前測試,這些都是一定要測的項目。食品的法略規範不可能像新藥那麼嚴格,所以應該會有一些不同的規範項目,而這些規定要怎麼制定,就是一個很大的問題。

以藥物來說,通常決定能否上市,或著能否進入臨床試驗的最主要條件,是藥物帶來的好處是否大於壞處。像S1、S2和S5這幾項,都是被認定在任何情況下,都一定是壞處大於好處的,所以一定需要測量。但對於其他的毒性,譬如前面提到的頭痛,要不要包含入檢測的項目內,就常常是case by case的情形。

此外,還有很多其他的毒性,要不要測量的標準,主要是取決於我們從藥物的作用機轉中,能夠預測是否會有該毒性。在包山包海、什麼都測的模式太費時費工,也太花錢的情況下,這是最合理的做法。

舉例來說,今天一個治療第二型糖尿病的藥,主要的作用機轉是降低血糖,那可以預期的一個毒性,就是在劑量過高時會有低血糖的問題(hypoglycaemia),所以在設計毒理學測試的時候,就應該包含入這一項。

另外一個很好的例子是我們在做致癌性研究時,常常會用一個叫做Ames test的實驗方法,在細菌裡測試某物質的致突變性(mutagenicity)。在做Ames test的時候常常遇到的一個狀況,是我們發現A物質本來沒什麼致突變性,但在加入兔子肝臟的萃取物之後,就會變得具有高度致突變性。這是因為A物質本身雖然沒有致突變性,但他的代謝產物(metabolites)很可能有,所以加入兔子肝臟萃取液,做了代謝的動作之後,代謝物的突變性才有辦法被偵測到。

有了這樣的概念,我們就可以很輕鬆地挑出蘇教授和食藥署說法上的問題。

蘇教授的部分,除了他舉世無雙的演算法根本不合理,他描述的方式也不夠科學。比較合理的說法,是告訴消費者哪些成分的每日可可接受食用量(acceptable daily intake,API)是多少,然後告訴我們吃多少油,就可能會超過這個量。

更重要的是,蘇教授和食藥署都犯了在檢測上面,一個極大的前提謬誤。

我前面說過,很多時候我們決定哪些毒性要被含括進來,是由藥物或毒物的作用機轉去推論的。而食品在檢測有沒有含有某些特定物質時,也是用非常類似的邏輯在處理。

以這次餿水油的狀況來說,假設在用正常的原料,以正常的製成下做成的油,裡面可能會含有相對毒性高的物質A、B、C。這三個物質觀察不到不良影響的最高劑量(no observed adverse effect level,NOAEL)分別是 X、Y、Z。

所以我們在設計檢測的時候,就會檢驗A、B、C的含量,是不是在X、Y、Z以下。

然後既然我們知道A、B、C的NOAEL是X、Y、Z,就表示我們一定有往上追,知道更高的劑量下,會有哪些毒性,所以我們可以判斷這東西吃太多會怎樣。

譬如:

A吃到2X的劑量,三年後得胃癌的機會比吃不超過X劑量的人高三十倍(慢性,嚴重);

B吃到1.5Y會死掉,超過Y就會有很嚴重的各種不適感(急性,不可逆,嚴重)

然後C吃到超過Z的劑量會頭痛,但再上去除非吃到20Z以上,都沒有什麼特別的症狀(急性,可逆,輕微)

那這樣我們就知道在檢驗的時候A、B、C相對要重視的程度在哪邊。

這點非常重要,因為很多毒理學實驗,都是在實驗動物身上做的,要轉換到人身上,通常只能用估的,把動物身上的測到的NOAEL轉成可能相對應的劑量(Human Equivalent Dose ,HED),然後可能再乘上個安全係數之類的,變成人身上的NOAEL或是API。

這種方式基本上是靠經驗在猜的,所以你可以想像我們對於B會特別小心,在轉換成HED之後,可能安全係數會抓個50之類的,但C可能就會抓個10,甚至可以做小型的臨床測試稍微了解一下C在人體內的作用狀況。

但是在這次餿水油的事件裡,我們遇到的狀況是餿水油的製程和使用原料,都和本來設計的不一樣,也因此由製程和化學原理去推估出來的有害物質,可能根本不一樣。這時候你用設計來檢測A、B、C的檢驗方式測,然後說他們的量低於X、Y、Z,根本一點意義也沒有,因為很可能現在會產生的主要有毒物質,會是D、F、G,而他們的毒物動力(toxicokinetics,TK)和毒物機轉(toxicodynamics,TD)都不一樣,甚至我們不一定有足夠的毒理學證據,告訴我們他們的劑量和反應關係圖長怎樣。加上前面提到的代謝物可能也有毒的概念,事情就更加複雜了。在這樣的情況下,我們當然拿不出科學證據來,但要因此說油品就是安全的,或是沒有太大的安全疑慮,是完全不符合科學精神的說法,最好的說法,還是承認我們不知道,然後就去設計實驗做檢測。

最後我想要提醒一點:在理解毒理學或藥理學這些事情的時候,一定要記住的觀念是,他們是動態關係,而不是一刀兩斷的關係。你當然可以說A藥物在什麼量以下就是沒毒,什麼量以上就是有毒,但這樣講了跟沒講差不多。比較好的方式是心中要有一張類似這樣的圖:





用這樣的方式去理解,會更能抓到「有毒」代表著什麼意義。如果只是用有毒沒毒這樣一刀兩斷的概念在看,在過了NOAEL之後,那一大段有意義的資料,就都讀不到了,但那才是資訊最豐富的一段,所以我才會一直強調,在dose-response relationship中,那個response是什麼,也是不可被忽略的一環

希望這樣簡單的介紹,能夠幫助大家在未來自行判斷,專家學者說的毒不毒,到底有沒有道理。

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