1 基因引入技術在毒理學中的應用
分子毒理學研究是采用分子生物學技術和方法來研究毒理學問題。如體外采用細胞培養等檢測基因毒性，整體動物試驗采用轉基因動物模型，這對於闡明外源性化學物的毒性及其機制均有重要意義。
基因引入技術是把壹段DNA（可以是壹個完整的基因，也可以是壹個基因片段）引入到細胞或生物體內。引入的DNA可以改變毒物的作用強度，或改變毒物作用方式。因此，可以通過毒物作用程度或方式的改變來判斷引入的DNA所起的毒性作用。
1.1 在致突變檢測中的應用
基因毒物是指能損害遺傳物質DNA的化學物，大多為致突變劑。常規的Ame′s試驗是由細菌介導的檢測考試，大網站基因毒物的方法。但這種方法也有壹定的局限性，有時可出現假陽性結果。如谷胱甘肽和半胱氨酸均為抗癌劑，但在Ame′s試驗中卻顯示較強的致突變能力。此外，細菌和動物細胞在其生物學方面有很大差異，因此體外動物細胞實驗較細菌更能反映毒物在機體內的作用。有兩類細胞常用於基因毒物的檢測，壹類為原代細胞，另壹類為傳代細胞。有多種指標用於檢測化學物的基因毒性，如核苷酸同位素標記法，若壹種化學物能損害DNA，細胞在用該化學物處理後，對損害的DNA要進行修復，修復過程需要核苷酸，如果在培養基中加入同位素標記的核苷酸，則修復的DNA即被同位素標記，在壹定情況下，損害的DNA越多，修復的就越多，細胞DNA含的同位素就越多。因此，通過檢測DNA中同位素的含量來決定該化學物的基因毒性。另壹種判斷方法是根據基因毒物能改變細胞的代謝。如正常的V79細胞具有次黃嘌呤磷酸轉移酶，這種酶是正常替代途徑中合成嘌呤核苷酸的必需酶。如果培養基中有嘌呤的同系物（如8-偶氮鳥嘌呤），這種酶能將其同系物轉化成相應的嘌呤核苷酸而合成DNA，但嘌呤同系物沒有正常嘌呤功能，因此會導致細胞死亡。相反，如果壹種化學物能損害DNA而使次黃嘌呤磷酸轉移酶的基因發生損害而不能合成正常的酶，其受損的細胞反而存活下來。存活的細胞越多，在壹定情況下說明該化學物的致突變能力越強。
某些化學物本身並沒有毒性，但其代謝物顯示出較強的毒性作用。對於這些化學物，上述方法不能檢測出它們的毒性。為了克服這壹缺點，可在細胞或細菌培養液中加入肝細胞抽提液以幫助代謝毒物。有的實驗室還用少量原代細胞與被檢的傳代細胞混合培養，由引入的原代細胞提供代謝酶。如硝基二甲基胺，用常規的細菌檢測系統顯示不出任何突變作用，但在細菌培養液中加入肝細胞抽提液後，顯示出很強的基因毒性。這些實驗也存在許多問題，如有些代謝物的半衰期很短，來不及進入檢測細胞與其DNA作用就失活了，肝臟抽提液或原代細胞代謝酶活性隨時間下降得很快；肝臟抽提液或原代細胞含多種酶，即使能代謝毒物並顯示出毒性，也不知道是哪種酶起主導作用。很顯然，建立壹種細胞株，能合成某種單壹的酶，對研究毒物的毒性作用很重要。利用分子生物學技術，把轉錄某種代謝酶的DNA連接，再接到基因載體上（多為質粒或病毒），這段具有調控能力的DNA，能與體外培養細胞的轉錄因子作用，把含有編碼某種代謝酶的DNA的基因載體引入到體外培養細胞，該細胞就能表達這種特異的酶。這方面較突出的例子是細胞多功能性單胺氧化酶（P450）。體外建立能表達P450的細胞株有兩類，壹類是能長期穩定表達的細胞株，壹類是能短期表達的細胞株。人的多種P450，如1A1，2A6，2E1，3A4等，已成功地引入人的淋巴樣細胞株、鼠的胎盤細胞株、蒼鼠肝癌細胞株等，這些細胞株由於能表達毒物代謝酶，對需要代謝後才有毒性的化學物，其檢測敏感度提高許多倍。如表達2A6的細胞比不表達2A6的同樣細胞株，在檢測硝基二甲基胺的毒性方面要敏感500倍；比表達2E1的細胞也要敏感大約500倍。說明硝基二甲基胺要代謝以後才能顯示毒性，也說明2A6是能將硝基二甲基胺轉化為毒性代謝物的代謝酶，而2E1則不是。
1.2 轉基因動物在毒理學中的應用
轉基因動物是在其基因組中含有外來遺傳物質的動物，它被廣泛應用於科學研究的各個方面。由於轉基因動物集整體、細胞和分子水平於壹體，更能體現生命整體研究的效果，因此成為毒理學研究的熱點之壹。
1.2.1 壹般毒性研究模型
C-fos-LacZ轉基因小鼠用於神經毒性的研究。金屬硫蛋白（MT）基因的轉基因和基因刪除小鼠用於金屬和某些非金屬的研究。如用MT轉基因小鼠對鎘等的抗性增加，而MT的基因刪除小鼠對鎘、銀、汞、順鉑和四氯化碳的毒性敏感性增強。
1.2.2 致突變檢測模型
轉基因動物為解決遺傳毒性研究中長期存在的壹些問題提供了可能性。如體外試驗和體內整體動物的定性、定量外推，整體動物基因突變需消耗大量動物和時間，如確定靶器官以及對誘發的遺傳改變做精細分析等。自Gosen等1989年建立了第壹個轉基因突變檢測模型以來，已有十多種模型。
1.2.3 致癌檢測模型及其在致癌物質作用機制研究中的應用
轉基因動物為快速檢測致癌物、促癌物和研究化學致癌的機制提供了新的重要途徑。目前已建立的檢測模型或研究模型有：①過量表達癌基因的轉基因動物模型 如TG，AC小鼠，HK-fos轉基因小鼠，ras-H2轉基因小鼠，攜帶激活的H-ras原癌基因小鼠等。這些轉基因動物對化學致癌劑的敏感性提高了許多倍。如帶有激活Pim-l腫瘤基因的轉基因動物，對乙基硝基脲的致癌作用，較相應的非轉基因動物，其敏感性提高了25倍；②基因刪除動物致癌檢測模型 用同源重組的方法，將壹段DNA整合到抗腫瘤基因，使該抗腫瘤基因不能表達具有正常功能的蛋白質，用這種方法培養的動物稱基因刪除動物。在這方面研究得最多的是腫瘤抑制基因P53.基因刪除動物P53（+/-）和正常動物P53（+/+）壹樣，發育和生長均無異常，但用致癌劑（如二硝基二甲胺）處理後，P53（+/-）基因刪除動物的平均壽命為29周，而P53（+/+）的平均壽命為42周，其腫瘤的發生與分布也有很大的差異。其他如芳香烴受體（AHR）小鼠、過氧化物酶體增殖劑誘導的受體α（PPARα）小鼠等；③轉基因動物用於生殖毒性研究 ZP3（編碼）透明帶硫酸糖蛋白基因刪除小鼠、雌激素受體基因或孕酮受體基因刪除小鼠、DNA甲基轉移酶基因刪除小鼠等。
1.2.4 用於特定組織毒性研究的轉基因動物
典型的例子是用含乳糖操縱子的噬菌體培育壹種轉基因動物，具有乳糖操縱子的噬菌體在感染某些細菌後，菌落為藍色。如果含有乳糖操縱子的噬菌體在體內由於受化學物的處理而受到損害， 不能抄錄正常的半乳糖苷水解酶，這種噬菌體在體外裝配後，其感染細菌的菌落為無色。因此根據藍色和無色菌落的多少，來判斷某些化學物基因毒性的強弱。此外，用質粒作為載體也獲成功，從而提高了檢測的敏感性，更重要的是，化學物處理後的動物，基因載體可以從不同組織細胞分離出來，因此這種動物能顯示化學物的組織細胞特異毒理學作用。
2 毒理學預測範疇的新進展
毒理學和流行病學，特別是與分子流行病學相結合應用於危險度的評價。經典方法中對安全系數作了許多附加修正，以提高種屬之內與之間推導預測的精確性，但其後果使毒理學家面臨來自各種行政規定而缺乏科學依據的壹連串修正系數。近年來已提出了新的方法，以盡可能使實際數據而不是人為的假設來確定安全系數。如對致癌物質的評定將使用壹種定量的模型，它所重視的是從高劑量到低劑量的推導，而不是從動物到人的種屬間的推導。目前最常見的是線性多級LMS模型，它是將耐受量（MTD）的可信限上端延伸到原點，利用該直線的低劑量區域來估計外源性化學物的量效關系曲線或其毒性強度。這種模型使用壹個對應於小生物學單位：即分子的劑量值，而不是將零作為劑量軸的原點。
外源性化學物安全性評價的策略新進展還包括用毒性等效性因子或問答式的方法，構效關系的定量分析，以及藥效和藥代動力學模型來研究復雜化學物。
3 21世紀毒理學的發展趨勢
3.1 傳統和現代毒理學研究方法相結合將推動毒理學的發展過程
過去毒理學研究主要以整體動物試驗和人體觀察相結合，在相當壹段時期內這仍然是重要和必要的手段。隨著分子生物學的理論和方法應用於毒理學的研究，將使外源性化學物的毒性評價發展到體外細胞、分子水平的毒性測試與人體誌願者試驗相結合的新模式，而傳統以動物為基礎的毒理學研究將減少。某些復雜的整體實驗將逐步為體外試驗或構效關系數學模式所代替。目前用於有害因素的毒性試驗系統將被基因工程的動物和細胞所代替；傳統的發病率和死亡率終點將被生化指標所替代；現在需要數月給藥和評價的毒性研究將在幾小時內完成。轉基因動物對外源性化學物的毒性反應將與人體極為壹致，例如取分裂中的人組織培養細胞到體外減數分裂，現行毒性試驗的解釋和外推方式將改變。
3.2 大量新技術和新方法的應用將使毒理學研究水平更加深入
上面提到的壹些體外細胞檢測和轉基因動物或基因刪除動物模型應用於毒理學研究外，其他新技術如系列分析法、DNA芯片或DNA微點陣等可同時測定數千個基因的表達，用於觀察基因的上調和下調；基因誘捕、代表性差異分析等將為研究化學物致畸的分子機制提供可能；應用基因分布圖能區別特異性或非特異性的細胞損傷；應用絡合物形成作用介導的PCR研究DNA損傷和核苷酸水平上的修復；生物標記物在毒理學中的應用顯得越來越重要，如特異的DNA和蛋白質加合物用於有效暴露的生物標記，用NMR分析尿中的代謝產物，可以確定作為毒性反應生物標記物的代謝變化模式。又如外周血（血小板、白細胞、紅細胞）中的生化標記物可用於測定外源性化學物對神經系統損傷的替代標誌物。
在毒理學的研究中，重要的問題是如何把從動物所獲得的資料用於人，把體外資料用於體內，把復雜的整體系統化為簡單的並能人為控制的系統，以及如何提高檢測的敏感性等。轉基因技術為解決這些問題提供了嶄新的手段。在代謝途徑上，通過基因轉移能人為控制某壹化學物的代謝；在整體水平上，可以人為控制某壹基因的表達水平，從而闡明該基因在化學物致毒過程中的作用。可以預言，各種不同的轉基因動物或基因刪除動物的建立，將對闡明化學物的毒性作用機制，起到重大的作用。
3.3 采用多種方法結合起來評價化學物的毒性將是壹個重要趨勢
過去20多年應用常規的毒理學方法研究外源性化學物，對於大多數化學物是否獲得足夠的毒理學信息值得懷疑。考慮到化學物質的暴露對人類健康的影響，這壹問題就顯得更為突出。由於毒理學試驗要消耗大量動物，因此在毒理學研究中盡量減少動物用量是每壹個負責任的毒理學家應該考慮的問題。顯然，如果想對如此眾多的外源性化學物有壹個合理的改變，就應該建立新的、可供選擇的、耗費動物少、試驗周期較短、花費較少的毒理學研究方法。這些方法應該根據以下標準來衡量：①動物用量減少；②試驗周期縮短；③研究化學物在環境中的實際濃度；④利用統計或數學模型；⑤預先進行有效的實驗設計；⑥發展管理毒理學等。例如，制藥工業將采用嚙齒類動物（主要是大鼠）的微核試驗與2～4周的毒代動力學研究結合起來的方法來評價藥物。
3.4 毒理學分支學科形成發展迅速，“二極”分化現象更為突出
近30年來毒理學由於發展迅速及與相關學科的交叉而形成了許多分支。如根據工作任務可分為臨床毒理學、環境毒理學、工業毒理學、管理毒理學、生態毒理學與法醫毒理學等；根據研究手段與終點不同可分為免疫毒理學、分子毒理學、膜毒理學、遣傳毒理學、分析毒理學等；根據研究對象可分為昆蟲毒理學、獸醫毒理學、人體毒理學與植物毒理學；根據不同外源性化學物可分為金屬毒理學、農藥毒理學、食品毒理學、放射毒理學、藥物毒理學與燃燒毒理學；根據研究工作性質可分為描述毒理學（指常規毒性試驗和安全評價）、機理毒理學和管理毒理學等。近年來還出現更多的毒理學分支，如比較毒理學、地理毒理學、急癥毒理學等。可以預見，下世紀還將出現壹些新的分支。
此外，毒理學分化將更為明顯。壹方面毒理學的軟件部分——管理毒理學仍將是毒理學的研究熱點之壹，這將從宏觀上為化學毒物的管理提供科學依據；另壹方面，研究水平越來越精細，從細胞、分子和基因水平研究毒理學問題將是普通的科學工作。上述二方面既分化，又相互滲透和結合，使毒理學的軟、硬件結合更為突出。
總之，毒理學與人類日常生活和生產勞動關系日益密切，如環境汙染、生態環境的惡化、藥物的不良反應、食品的安全性、獸藥及農藥的危害，以及作業環境的有毒物質是世界範圍內的嚴重問題。可以預見，在21世紀毒理學將會獲得更大的發展，為人類作出更大的貢獻。雖然近年來細胞、分子水平的研究取得了很大的進展，但僅從基因分子水平研究外源性化學物的毒性及其機制是不夠的，因為機體還有宏觀的壹面，必須把微觀研究與宏觀研究緊密結合起來，也就是將整體試驗與體外細胞、分子水平的研究結合起來才能得出正確結果。