曹 立(綜述)，郭小娟(審校)

(內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息中心，呼和浩特 010110)

砷是一種類(lèi)金屬環(huán)境毒物，廣泛地分布存在于自然界。長(zhǎng)期慢性的砷暴露會(huì)引發(fā)各種人類(lèi)健康效應(yīng)。最新研究證實(shí)，無(wú)機(jī)砷的攝入可增加心血管系統(tǒng)(高血壓、貧血、血小板減少癥等)、呼吸系統(tǒng)(慢性咳嗽、慢性支氣管炎)、胃腸系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)(自發(fā)性流產(chǎn)、分娩及圍生期病死率)、外周血管、腦血管病變、周?chē)窠?jīng)病變、2型糖尿病及內(nèi)臟腫瘤(肺癌、腎癌、膀胱癌、結(jié)腸癌)等的患病風(fēng)險(xiǎn)[1]。其中皮膚病損是最常見(jiàn)的表現(xiàn)之一[2]。對(duì)于砷暴露的預(yù)防及防治有十分重要的意義。

1 砷暴露的標(biāo)志物

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，尿砷、發(fā)砷和指砷可作為砷暴露的生物標(biāo)志物，反映機(jī)體內(nèi)砷含量的高低。王大朋等[3]認(rèn)為，唾液砷與砷暴露濃度有明顯的正相關(guān)關(guān)系，呈劑量-反應(yīng)關(guān)系，且與血液砷、尿砷、發(fā)砷和指砷也有良好的正相關(guān)關(guān)系，有望作為一種新的砷暴露標(biāo)志物。鄧國(guó)棟等[4]研究發(fā)現(xiàn)，砷能改變?nèi)诉策判沟慕M成，抑制血紅素生物合成，砷暴露組卟啉濃度表現(xiàn)為增加，且與尿砷水平呈正相關(guān)，認(rèn)為卟啉有可能作為慢性砷暴露的早期健康效應(yīng)標(biāo)志物。

2 砷的代謝形式

砷為變價(jià)元素，在水環(huán)境中主要以亞砷酸鹽、砷酸鹽、一甲基砷酸和二甲基砷酸四種形式存在[5]。砷進(jìn)入人體后，在酶參與的一系列反應(yīng)下進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，最常見(jiàn)的是甲基化過(guò)程[6-7]。甲基化主要發(fā)生肝臟中，在腎臟、肺臟和胰腺中也有少量進(jìn)行，產(chǎn)生一甲基砷酸和二甲基砷酸等，通常以三價(jià)和五價(jià)的氧化狀態(tài)存在[8-9]。Styblo等[10]研究指出，機(jī)體中三價(jià)無(wú)機(jī)砷較五價(jià)無(wú)機(jī)砷容易被甲基化，且推測(cè)機(jī)體中無(wú)機(jī)砷，由五價(jià)砷還原為三價(jià)砷的步驟可能為砷甲基化代謝的限速步驟。當(dāng)然，也有學(xué)者持保留意見(jiàn)。Hayakawa等[9]提出五價(jià)一甲基砷酸并不是砷甲基化代謝的一個(gè)必需中間產(chǎn)物，無(wú)機(jī)砷轉(zhuǎn)化為甲基砷的代謝并不是三價(jià)無(wú)機(jī)砷和一甲基亞砷酸之間的氧化甲基化。Jomova等[11]發(fā)現(xiàn)，三價(jià)砷化合物通過(guò)簡(jiǎn)單擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，五價(jià)砷化合物進(jìn)入細(xì)胞的方式則是耗能的主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程。國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，三價(jià)砷化物具有更強(qiáng)的毒性效應(yīng)及致癌效應(yīng)，也有研究顯示，五價(jià)二甲基砷酸是腫瘤促進(jìn)劑和致癌劑[12-13]。

最近新提出的砷代謝理論認(rèn)為，機(jī)體細(xì)胞對(duì)三價(jià)無(wú)機(jī)砷攝取能力為五價(jià)無(wú)機(jī)砷的4倍，在細(xì)胞內(nèi)五價(jià)無(wú)機(jī)砷被還原為三價(jià)無(wú)機(jī)砷，進(jìn)入細(xì)胞的砷可分布在細(xì)胞核、線(xiàn)粒體、微粒體中，不溶性砷大部分與體內(nèi)的還原型谷胱甘肽或蛋白質(zhì)相結(jié)合。砷的生物甲基化反應(yīng)均以砷-谷胱甘肽復(fù)合物或砷蛋白質(zhì)復(fù)合物為底物，最后形成一甲基砷酸和二甲基砷酸兩種代謝產(chǎn)物[10，14-15]。且谷胱甘肽w-1是經(jīng)典砷代謝通路的限速酶[16]。Naranmandura等[17]在野生型小鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，砷的甲基化代謝產(chǎn)物除了甲基氧砷外，甲基硫代砷是另一種重要的代謝產(chǎn)物。甲基硫代砷是將氧砷中的O轉(zhuǎn)換為S而形成的，即氧砷是硫代砷的轉(zhuǎn)化中間產(chǎn)物，包括一甲基硫代砷酸、二甲基一硫代砷酸、二甲基二硫代砷酸[18-20]。二甲基一硫代砷酸比二甲基砷酸的細(xì)胞毒性和遺傳毒性更強(qiáng)[21-22]。但在人群中尚無(wú)此方面的報(bào)道。

3 砷的濃度效應(yīng)

大量流行病學(xué)和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)均表明，高劑量的砷劑危害人類(lèi)健康。最新研究發(fā)現(xiàn)，低劑量砷卻發(fā)揮不同的健康效應(yīng)。Udensi等[2]在對(duì)人皮膚角質(zhì)細(xì)胞系的HaCaT細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，低劑量三氧化二砷促進(jìn)HaCaT角化細(xì)胞增生，調(diào)節(jié)細(xì)胞周期相關(guān)基因的表達(dá)，高劑量(>7.5×10-6)則抑制其生長(zhǎng)；濃度不同對(duì)端粒的影響也不同，低濃度(≤1.0×10-6)可延長(zhǎng)端粒酶的長(zhǎng)度，高劑量則減短其長(zhǎng)度，誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。Zhong等[23]在人膽管上皮癌細(xì)胞的研究中發(fā)現(xiàn)，在允許濃度范圍內(nèi)，三氧化二砷可抑制膽管上皮癌細(xì)胞的生長(zhǎng)，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，該作用可能由線(xiàn)粒體膜介導(dǎo)，但具體機(jī)制不明。Meliker 等[24]在砷暴露與人類(lèi)膀胱癌關(guān)系的研究中也證實(shí)，砷暴露與人類(lèi)膀胱癌有關(guān)，但10～100 μg/L范圍內(nèi)的相關(guān)關(guān)系不明確，有待進(jìn)一步研究。Wu 等[25]在對(duì)惡性神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者離體的腫瘤細(xì)胞進(jìn)行試管實(shí)驗(yàn)時(shí)證實(shí)，低濃度三氧化二砷同樣可抑制膠質(zhì)瘤干細(xì)胞增生，誘導(dǎo)其死亡。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，給予大白鼠飼以含砷0.5 mg/kg的飼料，可使肝醛縮酶、乳酸脫氫酶、葡萄糖-6-磷酸酶脫氫酶以及乳酸和血糖下降，而含砷為10 mg/kg量則使這些酶活性上升[14]。

對(duì)于砷濃度的健康效應(yīng)目前尚無(wú)統(tǒng)一公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，1993年世界衛(wèi)生組織建議的濃度標(biāo)準(zhǔn)(無(wú)機(jī)砷濃度)為10 μg/L[26]。準(zhǔn)確而有效的數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步研究確定。

4 砷毒性的可能機(jī)制

4.1氧化損傷 砷可通過(guò)擾亂機(jī)體的氧化/抗氧化平衡系統(tǒng)，產(chǎn)出過(guò)多的活性氧類(lèi)和一氧化氮，同時(shí)消耗超氧化物歧化酶、谷胱甘肽氧化酶等抗氧化酶及對(duì)含巰基抗氧化酶的抑制，導(dǎo)致機(jī)體氧化和抗氧化系統(tǒng)失衡，造成DNA和線(xiàn)粒體的氧化損傷，進(jìn)而影響機(jī)體健康[27-29]。

4.2促進(jìn)凋亡 三氧化二砷可影響B(tài)cl-2家族蛋白的表達(dá)，誘導(dǎo)線(xiàn)粒體釋放細(xì)胞色素C，激活caspase家族的相關(guān)蛋白，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，提示三價(jià)砷劑可能通過(guò)該途徑影響人類(lèi)的健康[23]。

4.3干擾DNA修復(fù) 有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，核苷酸切除修復(fù)著色性干皮病D組基因Asp312Asn和Lys751Gln變異型與砷引起的皮膚癌呈負(fù)相關(guān)，砷中毒患者不同病變皮膚組織中DNA修復(fù)基因、輻射損傷修復(fù)基因和錯(cuò)配修復(fù)基因的表達(dá)下降，表明砷可干擾DNA的修復(fù)[30]。砷誘導(dǎo)DNA-蛋白交聯(lián)在蛋白激酶的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)殡p鏈斷裂。三價(jià)無(wú)機(jī)砷能抑制DNA中胸腺嘧啶二聚體的剪切，因此也能抑制程序外DNA合成[14]。

4.4調(diào)節(jié)基因表達(dá) 真核生物染色體DNA甲基化是基因表達(dá)調(diào)控的一種重要方式，DNA異常甲基化可引起染色體結(jié)構(gòu)、DNA構(gòu)型、DNA穩(wěn)定性及蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。砷化物可引發(fā)原癌基因低甲基化，抑癌基因的高甲基化，誘導(dǎo)其異常表達(dá)，產(chǎn)生癌變[32-37 ]。

佟紅艷等[31]在研究三氧化二砷對(duì)人骨髓增生細(xì)胞株p15NK4b基因表達(dá)時(shí)發(fā)現(xiàn)，加入三氧化二砷后，除DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1 mRNA表達(dá)無(wú)影響外，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3a和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3b mRNA表達(dá)水平均下降。Chanda等[32]研究結(jié)果表明，砷能改變p53和p16基因的甲基化水平。砷暴露下，p53基因發(fā)生了明顯的高甲基化且呈現(xiàn)劑量依賴(lài)性反應(yīng)。盧光明等[33]研究證實(shí)，p16基因5′-端 CPG高甲基化是其表達(dá)下調(diào)的重要機(jī)制之一。在腺癌和重度增生的癌前階段可經(jīng)常檢測(cè)到p16基因甲基化，說(shuō)明它可能是致癌過(guò)程的早期改變。在砷中毒的皮膚癌患者中Bcl-2及突變型p53蛋白表達(dá)也均高于非癌變組。Ali等[34]發(fā)現(xiàn),砷暴露還會(huì)對(duì)Y染色體產(chǎn)生影響，如重組、單核苷酸突變、重復(fù)序列重組等。

Wang等[35]在對(duì)小鼠內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，三氧化二砷可顯著提高血紅素氧合酶1、白細(xì)胞介素6、單核細(xì)胞趨化因子1及血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子等的mRNA表達(dá)水平。砷暴露同樣可增加核轉(zhuǎn)錄因子紅系相關(guān)因子2及核因子κB因子的表達(dá)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，血紅素氧合酶1的表達(dá)由核轉(zhuǎn)錄因子紅系相關(guān)因子2、核因子κB及絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)通路介導(dǎo)，血紅素氧合酶1對(duì)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子發(fā)揮主要的上調(diào)作用，白細(xì)胞介素6的表達(dá)則由核因子κB介導(dǎo)。氧化應(yīng)激可能與砷的細(xì)胞毒性有關(guān)，同時(shí)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)相關(guān)基因的表達(dá)，但信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控活性氧類(lèi)的直接效應(yīng)。

目前，有學(xué)者假設(shè)，砷可能阻礙內(nèi)分泌物質(zhì)的功能，影響類(lèi)固醇激素受體介導(dǎo)的信號(hào)通路，從而導(dǎo)致疾病的發(fā)生[36-37，11]。也有研究顯示，砷可抑制體內(nèi)多種酶的活性，Jomova等[11]證實(shí)，三價(jià)無(wú)機(jī)砷化物可抑制細(xì)胞內(nèi)的丙酮酸脫氫酶、乙酰輔酶A等，影響細(xì)胞的三羧酸循環(huán)過(guò)程及谷胱甘肽的生物合成，進(jìn)而造成對(duì)機(jī)體的損害作用。以上均是對(duì)砷毒性可能機(jī)制的探討，對(duì)其毒理作用的具體機(jī)制仍懸而未解，有待進(jìn)一步研究探討。

5 展 望

目前，對(duì)于砷暴露與砷毒性的研究報(bào)道多來(lái)自于流行病學(xué)的調(diào)查研究，尚缺乏明確可靠的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，且砷的劑量?duì)各個(gè)內(nèi)臟器官的影響可能存在不同的濃度效應(yīng)問(wèn)題，還需深入研究。隨著分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的不斷發(fā)展，有研究顯示，砷與基因修飾之間可能存在相互作用，且具有遺傳效應(yīng)，尤其對(duì)基因甲基化的影響作用已引起學(xué)者的高度重視，但研究進(jìn)展仍較艱難，機(jī)制不明確。在未來(lái)的研究中，應(yīng)更加關(guān)注以下幾點(diǎn)：①?gòu)?fù)制砷中毒的動(dòng)物模型，觀察不同劑量下實(shí)驗(yàn)動(dòng)物各個(gè)器官的功能和形態(tài)學(xué)改變，對(duì)可能的致病機(jī)制進(jìn)行假設(shè)驗(yàn)證；②更多利用基因芯片技術(shù)和分子生物學(xué)手段對(duì)砷中毒患者的遺傳物質(zhì)進(jìn)行研究，以發(fā)現(xiàn)并明確砷的遺傳學(xué)機(jī)制；③臨床研究與實(shí)驗(yàn)室研究相結(jié)合，進(jìn)行相互論證。

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