分子生物学理论与技术的飞速发展给毒理学工作者提供了新的启迪和工具，从而改变传统毒理学研究的基本格局，真正实现了从整体和器官水平向细胞和分子水平的飞跃。在阐明药物对机体毒性作用的分子机制方面取得重要的突破，并形成了一些新的研究热点：一方面，探讨药物对生物机体组织中的各种分子，特别是生物大分子的作用机制，从而阐明药物的分子结构与其毒性效应的相互关系；另一方面，从分子水平上研究生物体对药物所产生的反应。

随着分子生物学的快速发展，大量的新概念和新技术不断涌现，并迅速地向其他学科渗透，药物毒理学也随之向分子水平发展。1975年，Ames试验问世，使用的组氨酸合成缺陷型鼠伤寒沙门菌株，就是通过基因工程而制备的，是分子生物学方法用于毒理学研究的典型事例。随着基因克隆技术的飞速发展，有关分子毒理学的基因克隆也取得了很大的进展。新的细胞与分子生物学技术如基因组学、蛋白质组学和代谢组学技术的引进与建立，更是大大提高了药物分子毒理学研究的整体水平。

荧光原位杂交（fluorescence in situ hybridization; FISH）是指通过荧光标记的各类DNA和RNA探针与细胞或组织进行杂交，在不改变其结构和分布格局的情况下，进行细胞内DNA、RNA某特定序列的测定的一种方法。具有操作、观察分析简便、立体分辨率高、信号明亮清晰以及安全风险小的优越性。利用不同荧光物质所修饰的核苷酸标记不同探针，可在同一样品中同时识别和分析多个目标顺序，大大拓宽了FISH的应用范围。通过以不同荧光物质标记同一探针，可增加镜下所观察到的荧光信号种类，从而增加了每次杂交可引用的探针类型。荧光原位杂交技术在药物分子毒理学研究中可应用于检测中期或间期细胞染色体畸变、哺乳动物精子非整倍体检测及微核来源的鉴定等。随着特异染色体探针的制备及商品化的供应，荧光原位杂交技术用于间期细胞染色体非整倍体异常的检测独具优势，同时使用不同标记的多个探针，可一次检测靶细胞的多个染色体。

单细胞凝胶电泳试验（single cell gel eletrophoresis; SCGE）是一种快速检测单细胞DNA损伤的试验方法，因其细胞电泳形状颇似彗星，又称彗星试验（comet assay）。该方法灵敏、简便、快速、低耗、重复性好，已被广泛应用于体内或者体外各种有核细胞经受试物诱导的DNA损伤和修复的研究。与经典的染色体畸变、微核等相比，SCGE可以用于活细胞DNA的检测，也能用于死亡细胞DNA的分析，使SCGE不仅可以研究低剂量下的生物效应，也可用于研究高剂量下的生物效应，同时SCGE又可提供DNA修复能力的信息，这使得SCGE非常适用于评价受试物的遗传毒性。

生物芯片试验（biochip）是通过缩微技术，根据分子间特异性地相互作用的原理，将生化分析过程集成于芯片表面的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、基因及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。按照芯片上固化的生物材料的不同，可以将生物芯片划分为基因芯片、蛋白质芯片、多糖芯片和神经元芯片。生物芯片试验可用于药物研究中毒理学评价，可准确、快速地分析数以千计的基因表达，筛选毒性相关基因，揭示毒性作用的基因表达谱，快速筛选毒物，筛选和检测基因多态性，检测基因突变，进行安全性评价等，为解决药物的联合作用、高通量的筛选药物、阐明毒性作用机制等长期困扰毒理学的难题提供了可能。

蛋白质组学（proteomics）指的是在大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平，翻译后的修饰，蛋白与蛋白相互作用等，由此获得蛋白质水平上的关于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而全面的认识。毒理蛋白质组学试验通过比较特定细胞、组织或器官在毒物作用前后的蛋白质表达谱的变化，可在短时间内筛选出毒物相关的特征性表达蛋白。这些差异蛋白很可能代表着毒物引起机能损伤的执行分子，而且其出现一般要远早于目前应用的病理学终点，再通过抗体分析技术可很快地发现新的毒性蛋白标志物，利用这些标志物能够实现在安全剂量下进行人体作用机制的研究。毒理蛋白质组学整合了经典毒理学、病理学和蛋白质差异表达分析技术，目前该技术不仅可以确认蛋白质表达，还可以确认翻译后修饰和蛋白质之间相互作用。随着蛋白质组学技术的快速发展，如双向凝胶电泳、等电聚焦、生物质谱分析及非凝胶技术等，已经成为现代生物技术快速发展的重要支撑，并将引领生物技术取得关键性的突破。

转基因动物（transgenic animals）是指在其基因组中含有外来遗传物质的动物，由于它集整体、细胞和分子水平于一体，更能体现整体研究的效果，因此成为毒理学研究的热点之一。开展转基因动物模型的毒理学试验是从分子水平上研究化学、物理和生物等外源性因素与生物机体相互作用的一门新兴学科分支，可以为多种中毒性疾病的防治以及药物安全性评价提供重要的理论依据。转基因动物模型具有准确、经济、试验次数少和显著缩短时间周期等优点，现已成为一种进行“快速筛选”和药物临床前安全评价的重要手段。在药物毒理学研究中，转基因动物模型试验主要是建立重要的药物靶整体模型和解决多基因调节问题，如用于分子药物靶的鉴定和确认，建立疾病的动物模型，用于检测新的治疗方案，早期发现药物毒性反应等。

分子毒理学发展建立了许多新的分子生物标志物的检测方法，成为沟通毒理学试验研究与人群流行病学调查的“共同语言”，使宏观与微观研究有机地结合起来，改变了化学物质危险度评价的模式，为多种中毒性疾病的防治以及化合物危险度的评价提供重要的理论根据。

药物分子毒理学试验的广泛开展和应用在毒理学领域发挥着非常重要的作用，为成千上万的新化合物早期筛选，确定化合物在低剂量下的效应，外推种属之间的毒性效应，研究多种混合成分之间的相互作用，确定环境和遗传因素对疾病的相对贡献率，开展一些新型药物的安全性评价等提供了重要的技术手段和方法。