定義
毒性閾值水平(threshold of toxicological concern，毒性閾值)是在風險評估中發展起來的一種方法。傳統的風險分析各國普遍採用了由風險評估、風險管理和風險信息交流三部分所組成的風險分析方法。其中風險評估是風險分析的科學基礎，主要由危害識別、危害特徵描述、暴露評估和風險特徵描述4個步驟組成。傳統風險評估方法需要得到一套詳細的毒性數據，這通常會導致進行一些不必要的，過於詳細的研究，從而造成時間、動物和資源的浪費。另外，對於那些缺乏詳盡毒性數據的化合物，不能使用傳統的風險評估方法。在這樣的情況下，人們便引入了毒性閾值水平(毒性閾值)的概念來對食品中的化學物質進行風險評估。毒性閾值的概念是當化學物質的人體暴露劑量低於某個閾值水平時，該化學品對人體健康造成負面影響的可能性很低，無需進行毒理學關注。毒性閾值方法可以通過各種化學物質的現存數據來推測毒性未知化學物質的潛在毒性。
毒性作用機理
有機污染物的毒理學效應機理，比環境行為的機理要複雜得多，這是因為毒理學效應受理化性質、環境行為和生物屬性（如種屬、性別、年齡、個體、細胞、靶器官等）等多方面的影響。因此，認識毒性作用方式（mode ofa ction）或毒性作用機制（mechanism of action），是建立毒理學效應QSAR模型的基礎和前提。毒性作用方式被定義為“描述負面生物效應的生理和行為跡象的集合”；毒性作用機制指的是“關鍵的生物化學過程或者是潛在於已知作用方式之下的外源性物質與生物間的相互作用 。Verhaar等在1992年研究了有機化合物對古比目魚的毒性數據，根據有機污染物對水生生物毒性作用的模式，並對不同結構的化合物提出了四種分類方式：
惰性化合物
惰性化合物是指在整個毒性作用過程中沒有發生生物化學反應的化合物。這種作用模式也被稱為非極性麻醉型作用。一般認為非極性麻醉型毒性作用是通過化合物與細胞膜之間的某種疏水性非共價作用，可逆性的改變了細胞膜的結構和功能，進而對有機體產生毒性作用。從理論上講，任何化合物都有進入到有機體的能力，所以化合物都至少有引導非極性麻醉型毒性的能力，因此，非極性麻醉型毒性是化合物的最小毒性，也稱基線毒性。一般烷烴、烯烴、醇、醚、酮、苯和鹵代苯被公認為是基線毒性化合物。
弱惰性化合物（極性麻醉型）
與非極性麻醉型化合物一樣，極性麻醉型化合物在整個毒性作用過程中也沒有發生生物化學反應，與生物大分子間的相互作用可能通過物理變化而不是化學反應，其具有形成氫鍵的能力，剩餘毒性比基線毒性（非極性麻醉型化合物）稍高一些。在學術界，對於極性和非極性麻醉型化合物的作用機理一直保持著激烈的爭論，有些學者認為“極性”本身並不是一個顯著地區分極性和非極性麻醉型兩種作用機制的因素，研究表明，在與辛醇/水分配係數、分子極化率以及氫鍵受體自由能等參數的相關性上，兩種化合物間存在著顯著差異。此外，極性麻醉型化合物和非極性麻醉型化合物的聯合毒性作用為非相加作用，這也為兩種不同作用機制的存在提供了有力證據。但是，有一些學者認為其在毒性效應上表現出的差異是由於在作用靶位和非靶脂質間的不等分配造成的，用膜/水分配係數代替辛醇/水分配係數可以得到非常好的單參數模型，由此證明二者的機理是相同的。雖然非極性麻醉型和極性麻醉型作用機理在生理學上的區別尚沒有定論，但我們可以通過這些化合物的結構來進行區分。這類化合物的結構一般都包含氫鍵供體，例如，苯酚和苯胺。
反應型化合物
反應型化合物是指化合物本身或者其代謝產物，能與普遍存在於生物大分子的某些結構發生生物化學反應的有機物，即吸電子基團（親電基團）與生物靶位（親核基團）形成共價鍵，尤其是生物大分子，例如：多肽、蛋白質和核酸中的親核基團（氨基（-NH2），羥基（-OH）和巰基（-SH））。最重要的幾種反應型共價結合作用機理有席夫鹼（Schiff base formation）、雙分子親核取代（SN2）、醯基化和芳香親核取（SNAr）。
特殊作用型化合物
特殊作用型化合物是指能與某些受體分子發生特異性相互作用的化合物，例如，有機磷酸酯類化合物能夠有效的抑制乙醯膽鹼酯酶，DDT是作用於神經元上的鈉離子通道調節受體（特異或受體毒性）。另外，（二硫代）氨基甲酸酯和菊酯類化合物都是特殊作用型化合物。
目前在國外，毒性閾值方法在食品安全方面已被廣泛用於對食品包裝材料和食用香料的風險評估。但是國內僅有較少文獻對毒性閾值方法進行過研究。並且其中也未對毒性閾值方法發展歷史進行過詳盡的研究。從最早的美國食品與藥品管理局(FDA)用於食品接觸材料安全閾值的建立，到現在被世界各國廣泛用於食用香料風險評估的以結構類為基礎的多層次毒性閾值方法，毒性閾值方法可以說經歷了一個不斷完善和發展的過程。
發展階段
早期毒性閾值水平的建立
20世紀60年代，人們逐漸認識到當某種化學品的人體暴露量很低時，幾乎不會對人體健康產生風險。而食品包裝材料向食物中的遷移量往往很低，屬於這一類低人體暴露量的化學品。因此，1967年，Frawley在英國工業生物研究協會(British Industrial Biological Research Association，BIBRA)年會上對食品包裝材料的安全管理問題作了報告，首次提出了某種缺乏毒性數據的化學品在其攝入量低於某一閾值水平時，其對人體健康的風險可以忽略不計這一概念。Frawley希望建立一些能夠形成共識的科學基礎方法，來對日益繁多的食品包裝材料進行管理。Frawley分析了220種化學品2年期慢性毒性的非腫瘤發生終點的數據集，提出任何的食品包裝材料在低於食物質量0.2%的水平下，對公共衛生安全是沒有顯著影響的。 之後的10多年中，隨著毒理學的發展，人們積累了越來越多化學物質的毒性數據 。20世紀80年代，Gold等建立了一個致癌潛因資料庫(Carcinogenic Potency Data base，CPDB)，該資料庫中包含了770種化學物質的3000多個長期、慢性實驗的毒性數據。隨後，Rulis等對Gold致癌潛因資料庫中的343種嚙齒類致癌物進行了分析，建立了慢性劑量-風險機率分布圖，按照致癌風險為10-6外推，食品中化學物質濃度安全閾值被確定為0.15μg/(人·d)-60.15μg/(人d)lgCC/(mg/(kgd))。隨著Gold對CPDB資料庫的不斷更新，Munro等在1990年的一個研討會中，用Gold更新的包含492種嚙齒類致癌物的CPDB資料庫，對Rulis等的研究結果進行了從新分析。
Munro的分析結果同樣肯定了Rulis等得到的0.15μg/(人·d)的安全閾值。在此安全閾值之下，CPDB資料庫中85%的致癌物終身致癌風險都低於10-6。得到此結果的一個前提假設是所有未測試的新物質都是致癌物。但是理論上對於一種未測試的物質其潛在的致癌性大於CPDB資料庫的半數中毒劑量(TD50)分布的中值的可能性僅為50%。而實際上，根據現有香料物質結構活性關係來推斷的致癌機率是不會高於50%。後來的研究顯示致癌物在生產中所用的化學物質中所占的比例大約為5%～10%。Rulis等提出使用1.5μg/(人·d)的安全閾值已經能夠滿足對公眾健康的保護。
基於以上研究，美國FDA在1993年提出可以使用0.5ppb食物作為對食品接觸材料的管理閾值(threshold of regulation，ToR)。如果按照每人每天攝取3kg食物計算，那么ToR可以換算為1.5μg/(人·d)。FDA於1995年正式將ToR用於食品接觸材料的管理[10]。FDA規定用於食品接觸材料的，對於致癌性未知的，並且不包含致癌性警告結構(structuralalerts)的化學物質，當在飲食中的濃度低於0.5ppb(如果按照每人每天攝取3kg食物計算，攝入量為1.5μg/(人·d))時，不需要對該物質進行毒理學測試。
以結構類為基礎的多層次毒性閾值方法
以上安全閾值的研究都是基於Gold等建立的致癌潛因資料庫CPDB中的致癌物。對於大部分非致癌物來說，其安全閾值都要比致癌物高。1996年Munro等建立了一個包含了613種非致癌化學物質的資料庫。這個資料庫包含了嚙齒類和兔類動物經口的亞慢性、慢性、生殖毒性和發育毒性的多種非致癌毒性終點的數據。這些毒性終點是以無明顯作用劑量(no-observed-effect-levels，NOEL)表示。由於很多物質都包含有多個終點的NOEL值，這資料庫中總共包含了2941個NOEL。每種物質所使用的NOEL是基於敏感的物種、性別和毒性終點的最保守的一個NOEL值。
Munro等對這613種化學物質進行了化學結構和毒性關係的分析，首次提出了以結構類為基礎的多層次毒性閾值方法。Munro等將這613種化學物質使用Cramer的結構分類決策樹進行了化學結構的分類。Cramer決策樹分類是根據化合物分子結構反映的毒性大小將化合物分成3類：其中結構類Ⅲ毒性最大，結構類Ⅱ毒性居中，結構類Ⅰ毒性最小。結構類Ⅰ是具有簡單的化學結構和有效的代謝模型存在的物質，具有較低的口服毒性；結構類Ⅱ是毒性大於結構類Ⅰ的物質，但不包含像結構類Ⅲ物質的毒性結構特徵；結構類Ⅲ是含有不安全的化學結構的物質，甚至可能會具有明顯的毒性或有反應性官能團。依據Cramer決策樹將資料庫中的613種化合物進行分類後，其中結構類Ⅰ有137個、結構類Ⅱ有28個、結構類Ⅲ有448個。
Munro等對3種結構類的NOEL分別繪製了累積百分比曲線圖。根據這個累積分布圖，可以計算出結構類Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ化合物的NOEL的第5百分位值分別是3.0、0.91、0.15mg/(kg·d)。3類結構NOEL第5百分位值除以安全係數100，然後乘以60kg(相當成年人平均體質量)，就得到了Cramer結構類Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ化合物對應毒性閾值值為1800、540、90μg/(人·d)。100倍的安全係數主要是用來反映動物種屬之間和個體之間的毒物代謝學和動力學差異。
FDA管理閾值的擴展
1999年研究人員對進一步擴展的Gold致癌潛因資料庫CPDB中709種嚙齒類致癌物進行了分析。同樣通過線性外推的方法來估算了低於10-6終生風險的安全閾值，肯定了FDA對不包含致癌性警告結構的化學物質所採用的0.5ppb的ToR的有效性。為了進一步對非癌症終點的TTC進行研究，Cheseman等還分析了化學物質毒性作用登記(Registry of Toxic Effects of Chemical Substances，RTECS)資料庫中3306種具有經口生殖毒性數據的化學物質和2542中具有其他重複劑量毒性研究數據的物質。在此基礎上，Cheseman等提出一套多層次的毒性閾值方法，以對FDA的ToR進行擴展(該方法至今還沒有被FDA所採用)。ToR 0.5ppb(對應毒性閾值值：1.5μg/(人·d))：沒有任何毒理學數據，並且該物質的化學結構不包含致癌警告結構的化學物質。對於Ames實驗呈陽性結果或者包含致癌警告結構的化學物質，需要進行整套的毒理學評價。
