袁 莉，王珠琳，李建科，張 萌

（陜西師范大學 食品工程與營養(yǎng)科學學院，陜西 西安 710119）

1 苯并[a]芘概述

1.1 苯并[a]芘的性質(zhì)

苯并[a]芘（Benzo[a]pyrene，B[a]P）屬于多環(huán)芳烴類化合物，是世界衛(wèi)生組織確定的I類致癌物，同時具有極強的致畸性、致突變性和蓄積性。B[a]P的分子式為C20H12，相對分子質(zhì)量為252.32，結構式如圖1（a）所示[1]。在常溫條件下，B[a]P為晶狀固體，呈淺黃色，熔點為179℃，沸點為312℃，難溶于水，易溶于有機溶劑[2]。苯并[e]芘（Benzo[e]pyrene，B[e]P）是B[a]P的同分異構體，結構式如圖1（b）所示，其致癌性目前尚不清楚。目前，B[a]P常用的檢測方法有高效液相色譜-熒光法、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法等。

圖1 B[a]P和B[e]P的化學結構式Fig.1 Chemical structural formula of B[a]P and B[e]P

1.2 苯并[a]芘在食品中的含量

食品中B[a]P主要有兩方面來源：一是食品中有機物在煎、炸、熏、烤等高溫加工條件下會發(fā)生熱裂解反應，再經(jīng)環(huán)化和聚合等反應形成B[a]P[3]；二是工業(yè)生產(chǎn)和生活中煤炭、石油、天然氣等燃料不完全燃燒產(chǎn)生含有B[a]P的廢氣，進而通過水源、空氣和土壤等污染食品[4-5]。不同食品中B[a]P的質(zhì)量分數(shù)如表1所示。

表1 不同食品中B[a]P的質(zhì)量分數(shù)Table 1 B[a]P content in different foods

2 苯并[a]芘誘發(fā)結腸疾病的作用機制

隨著人們生活水平的提高和飲食習慣的改變，結腸癌、結腸氧化損傷、結腸炎癥、腸道菌群失調(diào)等各種結腸疾病的發(fā)病率逐漸上升。其中，食品加工有害物B[a]P對各種結腸疾病的發(fā)展具有誘導和促進作用[1，3]。因此，探究B[a]P誘發(fā)結腸疾病的作用機制可為其毒性控制提供理論基礎，具有重要意義。B[a]P誘發(fā)各種結腸疾病的相關信號通路如圖2所示。

2.1 苯并[a]芘誘發(fā)結腸癌的相關分子機制

2.1.1 細胞色素P450代謝途徑B[a]P通過水和飲食攝入機體后被代謝為誘發(fā)癌癥的關鍵性物質(zhì)，從而破壞細胞大分子（如DNA），進而導致基因突變引發(fā)癌癥[13]。細胞色素P450酶（CYP450）代謝B[a]P是誘導結腸癌的主要途徑。CYP1A1和CYP1B1是兩個非常重要的基因，它們負責肝臟和結腸中B[a]P的代謝[14]。Uno S等[15]研究發(fā)現(xiàn)，CYP1A1基因敲除的C57BL/6J小鼠和C57BL/6J野生型小鼠經(jīng)B[a]P灌胃后，發(fā)現(xiàn)CYP1A1基因敲除的C57BL/6J小鼠30 d內(nèi)死亡，而C57BL/6J野生型小鼠未表現(xiàn)出明顯的毒性跡象，說明CYP1A1具有一定解毒作用。而CYP1B1用于代謝激活，可將B[a]P轉化為二氫二醇環(huán)氧化合物，特別是對最終致癌物B[a]P-7，8-dihydrodiol-9，10-epoxide（BPDE）的形成至關重要[16]。在整個代謝過程中，B[a]P首先在結腸中形成代謝產(chǎn)物（例如二氫二醇），進一步被CYP1B1代謝為二氫二醇環(huán)氧化物（如BPDE），最后BPDE與DNA反應形成BPDE-DNA加合物，引起基因突變，從而啟動腫瘤發(fā)生。

2.1.2 Wnt信號通路Wnt信號通路對癌變至關重要，其信號通路的異常激活經(jīng)常發(fā)生在不同癌癥中，特別是在結腸癌中[17]。β-catenin是Wnt信號的關鍵分子，參與細胞間的黏附調(diào)控，防止細胞發(fā)生轉移[18]。結腸腺瘤性息肉病蛋白（adenomatous polyposis coli，APC）也是Wnt信號通路的成員之一，其突變與結腸癌的發(fā)生密切相關[19]。COX-2即誘導型環(huán)氧化酶，在機體受各種炎癥介質(zhì)、激素及促瘤因素等刺激作用下高度表達[20]。在Wnt信號通路中，APC基因的突變或缺失可導致β-catenin異常聚集，從而激活COX-2，使其高度表達，最終誘發(fā)癌變。Sonodn等[21]研究發(fā)現(xiàn)，CD2F1雄性小鼠經(jīng)灌胃B[a]P和硫酸葡聚糖鈉14周后，結腸不良隱窩中的β-catenin表達增加，從而誘發(fā)結腸癌的發(fā)生。

圖2 B[a]P誘發(fā)各種結腸疾病的相關信號通路Fig.2 Related signal path of various colon diseases induced by B[a]P

2.2 苯并[a]芘誘導結腸氧化損傷的機制

結腸組織的氧化還原平衡狀態(tài)受到結腸黏膜中抗氧化酶和非酶抗氧化劑的調(diào)控。超氧化物歧化酶（SOD）是一種普遍存在的抗氧化劑酶，可將超氧化物自由基催化轉化為過氧化氫[22]。過氧化氫進一步被過氧化氫酶（CAT）分解為水和氧氣。而B[a]P會引發(fā)結腸氧化損傷，原因可能是細胞色素P450代謝B[a]P過程中生成過量的自由基導致SOD和CAT活性下降，自由基異常累積，造成結腸氧化損傷[23]。此外，谷胱甘肽（GSH）是重要的維持腸道健康的非酶抗氧化劑，也是自由基清除劑和脂質(zhì)過氧化抑制劑[24]。Ajayi等[25]研究發(fā)現(xiàn)，BALB/c雄性小鼠經(jīng)灌胃B[a]P 14 d后，結腸中GSH水平降低，導致結腸氧化損傷，可能是由于機體在代謝B[a]P過程中產(chǎn)生過量自由基，隨自由基解毒需求的增加導致GSH被過度利用，從而導致谷胱甘肽水平降低。

2.3 苯并[a]芘誘導結腸炎癥的機制

Nuclear factor-kappa B（NF-κB）是一種調(diào)控炎癥、細胞生長、腫瘤等相關基因表達的轉錄因子[26]，以二聚體形式廣泛存在于真核細胞胞漿中，最常見的異源二聚體由p50和p65組成[27]。NF-κB的轉錄作用對促炎因子如腫瘤壞死因子（TNF-α）和白細胞介素1β（IL-1β）的基因表達至關重要[28]。Ajayi等[29]研究發(fā)現(xiàn)，BALB/c雄性小鼠經(jīng)灌胃B[a]P 7 d后，結腸組織中的NF-κB發(fā)生磷酸化，游離的NF-κB隨后由胞漿轉至核中，與TNF-α和IL-1β等蛋白質(zhì)中特異性序列結合[27]，使促炎因子TNF-α和IL-1β的合成增加，從而誘導小鼠結腸炎癥的發(fā)生。此外，低水平的NO在正常的信號傳導中發(fā)揮重要作用，而過量的NO則會導致過氧亞硝酸鹽的形成，進而破壞組織[30]。B[a]P可活化誘導型NOS（iNOS）并產(chǎn)生高水平NO[31]。另外，iNOS基因也受NF-κB調(diào)控，NFκB被激活會促進iNOS的表達[32]。Ajayi等[29]研究還發(fā)現(xiàn)，BALB/c雄性小鼠經(jīng)灌胃B[a]P 7 d后，結腸中iNOS表達增加、NO水平升高，進而誘導炎癥和氮化應激導致結腸損傷。

2.4 苯并[a]芘誘導腸道菌群紊亂

腸道微生物菌群與宿主在長期的協(xié)同作用下相互適應，達到動態(tài)平衡，作為一個獨特的微生物器官參與調(diào)節(jié)宿主的消化吸收、能量代謝、免疫反應等[33]。據(jù)報道，食用被B[a]P污染的食物會導致腸道菌群的變化，打破原有的平衡狀態(tài)，從而誘發(fā)結腸損傷。Ribière等[34]研究發(fā)現(xiàn)，C57BL/6雄性小鼠經(jīng)B[a]P灌胃后，糞便和腸黏膜上相關的細菌組成顯著變化。在實驗開始時，腸道菌群可能對B[a]P的促炎特性具有短暫的防護作用，尤其是通過增加黏液溶解促炎性細菌類群，例如黏螺旋菌屬（Mucispirillum）是一種黏液溶解屬[35]，其產(chǎn)生的黏液對結腸上皮細胞具有保護作用，可防止致病微生物以及化學、物理或酶的損傷[36]。隨著B[a]P的持續(xù)攝入，對小鼠不利的腸道環(huán)境逐漸形成，有益細菌豐度下降，如乳桿菌屬（Lactobacillus）、糞球菌屬（Coprococcus）；對腸道有害的細菌豐度升高，如脫硫弧菌科（Desulfovibrionaceae）、紫單胞菌科（Porphyromonadaceae）、產(chǎn)堿桿菌科（Alcaligenaceae），這些細菌的代謝產(chǎn)物可能會破壞結腸上皮組織的屏障功能，進而誘發(fā)結腸炎。本研究團隊也通過16S rRNA基因測序分析灌胃B[a]P 6周后的BALB/c雄性小鼠結腸內(nèi)容物中菌群的組成和豐度[37]，其主要細菌屬的變化如表2所示，腸道中脫硫弧菌屬（Desulfovibrio）、不動桿菌屬（Acinetobacter）、臭桿菌屬（Odoribacter）和韋榮氏球菌屬（Veillonella）的相對豐度均高于對照組，普氏糞桿菌屬（Faecalibaculum）和乳桿菌屬（Lactobacillus）的相對豐度卻低于對照組。其中，對腸道不利的細菌可能會產(chǎn)生一些毒性因子（如脫硫弧菌科的成員會產(chǎn)生肉毒素和有毒的硫[38]），從而誘發(fā)結腸炎或結腸癌，而對腸道有益的細菌可能會產(chǎn)生短鏈脂肪酸、丁酸鹽等物質(zhì)，可促進結腸癌細胞的凋亡，有利于腸道的健康[34，39]。

Zhao等通過16S rRNA基因測序，分析暴露于含B[a]P海水的海參腸道菌群的組成和豐度的變化[40]。研究進行第14天時，在門水平，扁平菌門的豐富度明顯提高，變形菌門和擬桿菌門的豐度也增加，而厚壁菌門的豐度降低。其中，厚壁菌門是腸道內(nèi)代謝未消化食物殘渣的主要細菌，可促進寄主腸道復雜的膳食纖維和多酚的消化吸收[41]。在屬水平上，多個有益屬豐度下降，包括乳球菌屬、芽孢桿菌屬、乳桿菌屬、腸球菌屬、明串珠菌屬和魏斯式菌屬，且在組織學形態(tài)上，將海參暴露于含B[a]P海水中會對腸道結構和功能產(chǎn)生負面影響，其表現(xiàn)為海參腸中的炎癥或萎縮、氧化應激和免疫抑制。此外，暴露于含B[a]P海水的海參腸道中還發(fā)現(xiàn)了降解烷烴的細菌，其中包括Lutibacter，Pseudoalteromonas，Polaribacter，Rhodopirellula和Blastopirellula，而這些菌大多可在被石油污染的海洋環(huán)境被發(fā)現(xiàn)中，研究推測在少量B[a]P暴露下，腸道菌群可通過對B[a]P的降解和解毒作用對寄主起到保護作用。

表2 小鼠結腸的主要細菌屬相對豐度的變化[37]Table 2 Changes of the main bacterial genera in the colon of mice

2.5 飲食類型對苯并[a]芘誘導的結腸毒性的影響

2.5.1西方飲食 西方飲食多以肉類為主，熱量較高。大量的流行病學調(diào)查顯示，攝入過多紅肉或過度的肥胖會增加結直腸瘤形成的概率。Harris等[42]通過給PIRC雄性大鼠分別喂養(yǎng)西方飲食和AIN-76A標準飲食，并同時灌胃B[a]P 60 d后，發(fā)現(xiàn)西方飲食會誘發(fā)B[a]P在PIRC雄性大鼠結腸上產(chǎn)生更多數(shù)量的腫瘤。因為通過飲食消耗過多的能量可能會導致胰島素、甘油三酸酯和脂肪酸水平升高[43]，隨后誘導結腸上皮細胞增殖，并使它們暴露于活性氧中間體，達到結腸癌發(fā)展的理想環(huán)境。此外，由于B[a]P的脂溶性，當通過攝入富含脂質(zhì)的食物時可能會促進其吸收，增加B[a]P長期暴露的可能性，使B[a]P和其代謝產(chǎn)物在胃腸道中的生物利用度提高，并對結腸上皮造成局部損害。

2.5.2 飲食脂肪的類型Diggs等[44]將B[a]P分別通過飽和脂肪（花生油）和不飽和脂肪（椰子油）給ApcMin雄性小鼠灌胃60 d后，發(fā)現(xiàn)飽和脂肪促進了B[a]P誘發(fā)結腸腫瘤的發(fā)展。單獨攝入B[a]P與通過椰子油攝入B[a]P的小鼠相比，其血漿和結腸中會產(chǎn)生更多有毒代謝物（如B[a]P二醇和醌類物質(zhì)等），可能會造成結腸損傷。且當B[a]P通過花生油攝入時，其代謝酶CYP1A1、1B1和谷胱甘肽S轉移酶（GST）的活性提高（GST是一組與肝臟解毒功能有關的酶，對B[a]P具有解毒作用）、表達增加，在這些代謝酶持續(xù)作用下，部分B[a]P代謝產(chǎn)物會與DNA結合形成B[a]P-DNA加合物，促進結腸腫瘤形成和發(fā)展。流行病學調(diào)查顯示，結腸癌患病率在地中海國家相對較低，其中橄欖油是飲食的主要成分[45]。橄欖油中含有豐富的酚類成分，這些成分具有有效的抗氧化特性，可以對多種類型的癌癥起到保護作用[46]。腸道菌群和食用橄欖油之間的相互作用可以調(diào)節(jié)結腸微生物的組成和活性，也在預防癌癥中發(fā)揮作用[47]。Banks等[48]研究發(fā)現(xiàn)，橄欖油可以有效預防B[a]P誘發(fā)的結腸癌。研究通過分析經(jīng)灌胃60 d后的ApcMin雄性小鼠結腸中細胞色素P450代謝酶的表達，發(fā)現(xiàn)B[a]P通過橄欖油攝入，會使CYP1B1表達降低，從而抑制B[a]P的代謝。橄欖油也可有效減少B[a]P代謝過程中產(chǎn)生的活性氧（ROS）引起的DNA損傷，進而阻止結腸癌的發(fā)展。此外，橄欖油對COX-2和iNOS等與B[a]P引起結腸毒性相關的信號分子的表達具有抑制作用，有效減少結腸炎癥和結腸癌的發(fā)生。

2.5.3 天然活性物質(zhì)飲食中的植物化學成分在疾病預防中起著重要作用，多酚已顯示出可抑制由致癌物誘導的腫瘤的發(fā)展[49]。其中，白藜蘆醇是一種多酚，在葡萄皮和種子中含量豐富，食物來源包括葡萄酒，漿果和花生[50]。Huderson等[51]研究表明，白藜蘆醇可以通過改變細胞色素P450參與的代謝途徑，降低結腸中CYP1B1酶的活性，進而抑制B[a]P誘導結腸息肉的形成。CYP1B1的表達升高是結腸腫瘤形成的標志，而白藜蘆醇會抑制CYP1B1的表達，阻止B[a]P的代謝。白藜蘆醇還可以保護小鼠結腸組織免受活性氧引起的DNA損傷，促進受損堿基對的修復來阻斷加合物的形成，阻止B[a]P最終代謝物與DNA結合，從而抑制腫瘤的形成和發(fā)展[52]。

聚甲氧基黃酮可以從柑橘果皮中分離得到，具有廣泛的生物活性，例如抑制慢性炎癥、預防癌癥和抗動脈粥樣硬化特性[53]。Wu等[54]研究發(fā)現(xiàn)，聚甲氧基黃酮可阻止苯并[a]芘/硫酸葡聚糖鈉（B[a]P/DSS）誘導結腸腫瘤的形成。聚甲氧基黃酮可通過調(diào)節(jié)B[a]P的代謝途徑使結腸組織中B[a]P的代謝產(chǎn)物和DNA的加合物減少。在分子水平上，RNA測序結果表明聚甲氧基黃酮改善了B[a]P/DSS誘導的異常分子機制改變，包括激活炎癥反應、下調(diào)抗氧化靶標和誘導基因轉移等。另外，食用聚甲氧基黃酮還可以通過改變腸道菌群的組成來抑制B[a]P誘導的結腸毒性，例如增加產(chǎn)生丁酸鹽的益生菌和減少與誘導結腸癌相關的細菌。

6-姜醇是生姜中最具藥理活性的成分，可促進腸道健康。Ajayi等[25]研究表明，6-姜醇可以降低TNF-α，IL-1β，COX-2和iNOS的水平來抑制B[a]P誘導的結腸炎癥。另外，6-姜醇可以使B[a]P代謝酶的活性顯著增加，并增強谷胱甘肽S轉移酶（GST）和環(huán)氧水解酶（EPXH）的活性來促進B[a]P的解毒（當EPXH將水結合到環(huán)氧化物中形成二氫二醇時，GST使環(huán)氧化物與GSH結合，最終將以巰基酸的形式排出體外[55]），防止B[a]P誘導的結腸毒性。

異葒草素是一種天然黃酮類化合物，具有抗炎、抗癌、抗氧化、抗糖尿病、保肝等生物活性[56]。作者前期研究發(fā)現(xiàn)，異葒草素可以有效預防B[a]P誘導的結腸損傷，其在氧化系統(tǒng)中可作為自由基清除劑，并且可以通過提高SOD、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）的活性，降低H2O2、丙二醛（MDA）的含量來抑制B[a]P誘導的結腸氧化損傷。此外，異葒草素還可通過抑制炎癥相關因子TNF-α、IL-1β、IL-6、COX-2和iNOS的表達[57]，調(diào)節(jié)B[a]P誘導的腸道菌群變化，緩解炎癥。

3 展望

作者對不同食品中B[a]P的含量及其誘發(fā)結腸癌、結腸氧化損傷、結腸炎癥、腸道菌群失調(diào)等各種結腸疾病的相關分子機制進行了綜述。目前，關于飲食類型對B[a]P誘導的結腸毒性的影響已有部分相關研究，但仍需從多方面進行深入探究。在日常飲食中，除了要注意飲食搭配，保障營養(yǎng)均衡攝入外，還需注意食品加工方式對食品營養(yǎng)成分的影響，盡量避免營養(yǎng)成分被破壞和有害物質(zhì)的形成。同時，應該保護環(huán)境，節(jié)約能源，對工業(yè)和生活中的廢水、廢氣、廢渣進行處理后再排放，避免環(huán)境中有害物質(zhì)污染食品，進而危害人體健康。

表3 不同天然活性物質(zhì)對B[a]P誘導的結腸毒性的影響Table 3 Effects of different natural bioactive substances on B[a]P induced colonic toxicity