慢性砷暴露與砷毒性的研究新進展

曹 立(綜述)，郭小娟(審校)

(內蒙古醫科大學網絡信息中心，呼和浩特 010110)

砷是一種類金屬環境毒物，廣泛地分布存在于自然界。長期慢性的砷暴露會引發各種人類健康效應。最新研究證實，無機砷的攝入可增加心血管系統(高血壓、貧血、血小板減少癥等)、呼吸系統(慢性咳嗽、慢性支氣管炎)、胃腸系統、生殖系統(自發性流產、分娩及圍生期病死率)、外周血管、腦血管病變、周圍神經病變、2型糖尿病及內臟腫瘤(肺癌、腎癌、膀胱癌、結腸癌)等的患病風險[1]。其中皮膚病損是最常見的表現之一[2]。對于砷暴露的預防及防治有十分重要的意義。

1 砷暴露的標志物

傳統觀念認為，尿砷、發砷和指砷可作為砷暴露的生物標志物，反映機體內砷含量的高低。王大朋等[3]認為，唾液砷與砷暴露濃度有明顯的正相關關系，呈劑量-反應關系，且與血液砷、尿砷、發砷和指砷也有良好的正相關關系，有望作為一種新的砷暴露標志物。鄧國棟等[4]研究發現，砷能改變人卟啉排泄的組成，抑制血紅素生物合成，砷暴露組卟啉濃度表現為增加，且與尿砷水平呈正相關，認為卟啉有可能作為慢性砷暴露的早期健康效應標志物。

2 砷的代謝形式

砷為變價元素，在水環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]。砷進入人體后，在酶參與的一系列反應下進行生物轉化，最常見的是甲基化過程[6-7]。甲基化主要發生肝臟中，在腎臟、肺臟和胰腺中也有少量進行，產生一甲基砷酸和二甲基砷酸等，通常以三價和五價的氧化狀態存在[8-9]。Styblo等[10]研究指出，機體中三價無機砷較五價無機砷容易被甲基化，且推測機體中無機砷，由五價砷還原為三價砷的步驟可能為砷甲基化代謝的限速步驟。當然，也有學者持保留意見。Hayakawa等[9]提出五價一甲基砷酸并不是砷甲基化代謝的一個必需中間產物，無機砷轉化為甲基砷的代謝并不是三價無機砷和一甲基亞砷酸之間的氧化甲基化。Jomova等[11]發現，三價砷化合物通過簡單擴散進入細胞內，五價砷化合物進入細胞的方式則是耗能的主動運輸過程。國內外學者普遍認為，三價砷化物具有更強的毒性效應及致癌效應，也有研究顯示，五價二甲基砷酸是腫瘤促進劑和致癌劑[12-13]。

最近新提出的砷代謝理論認為，機體細胞對三價無機砷攝取能力為五價無機砷的4倍，在細胞內五價無機砷被還原為三價無機砷，進入細胞的砷可分布在細胞核、線粒體、微粒體中，不溶性砷大部分與體內的還原型谷胱甘肽或蛋白質相結合。砷的生物甲基化反應均以砷-谷胱甘肽復合物或砷蛋白質復合物為底物，最后形成一甲基砷酸和二甲基砷酸兩種代謝產物[10，14-15]。且谷胱甘肽w-1是經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現，砷的甲基化代謝產物除了甲基氧砷外，甲基硫代砷是另一種重要的代謝產物。甲基硫代砷是將氧砷中的O轉換為S而形成的，即氧砷是硫代砷的轉化中間產物，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胞毒性和遺傳毒性更強[21-22]。但在人群中尚無此方面的報道。

3 砷的濃度效應

大量流行病學和實驗室數據均表明，高劑量的砷劑危害人類健康。最新研究發現，低劑量砷卻發揮不同的健康效應。Udensi等[2]在對人皮膚角質細胞系的HaCaT細胞進行實驗時發現，低劑量三氧化二砷促進HaCaT角化細胞增生，調節細胞周期相關基因的表達，高劑量(>7.5×10-6)則抑制其生長；濃度不同對端粒的影響也不同，低濃度(≤1.0×10-6)可延長端粒酶的長度，高劑量則減短其長度，誘導細胞死亡。Zhong等[23]在人膽管上皮癌細胞的研究中發現，在允許濃度范圍內，三氧化二砷可抑制膽管上皮癌細胞的生長，誘導細胞凋亡，該作用可能由線粒體膜介導，但具體機制不明。Meliker 等[24]在砷暴露與人類膀胱癌關系的研究中也證實，砷暴露與人類膀胱癌有關，但10～100 μg/L范圍內的相關關系不明確，有待進一步研究。Wu 等[25]在對惡性神經膠質瘤患者離體的腫瘤細胞進行試管實驗時證實，低濃度三氧化二砷同樣可抑制膠質瘤干細胞增生，誘導其死亡。動物實驗表明，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]。

對于砷濃度的健康效應目前尚無統一公認的標準，1993年世界衛生組織建議的濃度標準(無機砷濃度)為10 μg/L[26]。準確而有效的數據有待進一步研究確定。

4 砷毒性的可能機制

4.1氧化損傷 砷可通過擾亂機體的氧化/抗氧化平衡系統，產出過多的活性氧類和一氧化氮，同時消耗超氧化物歧化酶、谷胱甘肽氧化酶等抗氧化酶及對含巰基抗氧化酶的抑制，導致機體氧化和抗氧化系統失衡，造成DNA和線粒體的氧化損傷，進而影響機體健康[27-29]。

4.2促進凋亡 三氧化二砷可影響Bcl-2家族蛋白的表達，誘導線粒體釋放細胞色素C，激活caspase家族的相關蛋白，導致細胞凋亡，提示三價砷劑可能通過該途徑影響人類的健康[23]。

4.3干擾DNA修復 有學者發現，核苷酸切除修復著色性干皮病D組基因Asp312Asn和Lys751Gln變異型與砷引起的皮膚癌呈負相關，砷中毒患者不同病變皮膚組織中DNA修復基因、輻射損傷修復基因和錯配修復基因的表達下降，表明砷可干擾DNA的修復[30]。砷誘導DNA-蛋白交聯在蛋白激酶的作用下轉變為雙鏈斷裂。三價無機砷能抑制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調節基因表達 真核生物染色體DNA甲基化是基因表達調控的一種重要方式，DNA異常甲基化可引起染色體結構、DNA構型、DNA穩定性及蛋白質相互作用方式的改變，調節基因的表達。砷化物可引發原癌基因低甲基化，抑癌基因的高甲基化，誘導其異常表達，產生癌變[32-37 ]。

佟紅艷等[31]在研究三氧化二砷對人骨髓增生細胞株p15NK4b基因表達時發現，加入三氧化二砷后，除DNA甲基轉移酶1 mRNA表達無影響外，DNA甲基轉移酶3a和DNA甲基轉移酶3b mRNA表達水平均下降。Chanda等[32]研究結果表明，砷能改變p53和p16基因的甲基化水平。砷暴露下，p53基因發生了明顯的高甲基化且呈現劑量依賴性反應。盧光明等[33]研究證實，p16基因5′-端 CPG高甲基化是其表達下調的重要機制之一。在腺癌和重度增生的癌前階段可經常檢測到p16基因甲基化，說明它可能是致癌過程的早期改變。在砷中毒的皮膚癌患者中Bcl-2及突變型p53蛋白表達也均高于非癌變組。Ali等[34]發現,砷暴露還會對Y染色體產生影響，如重組、單核苷酸突變、重復序列重組等。

Wang等[35]在對小鼠內皮細胞進行實驗時發現，三氧化二砷可顯著提高血紅素氧合酶1、白細胞介素6、單核細胞趨化因子1及血管內皮生長因子等的mRNA表達水平。砷暴露同樣可增加核轉錄因子紅系相關因子2及核因子κB因子的表達。實驗結果顯示，血紅素氧合酶1的表達由核轉錄因子紅系相關因子2、核因子κB及絲裂原活化蛋白激酶信號通路介導，血紅素氧合酶1對血管內皮生長因子發揮主要的上調作用，白細胞介素6的表達則由核因子κB介導。氧化應激可能與砷的細胞毒性有關，同時調節細胞內相關基因的表達，但信號轉導調控活性氧類的直接效應。

目前，有學者假設，砷可能阻礙內分泌物質的功能，影響類固醇激素受體介導的信號通路，從而導致疾病的發生[36-37，11]。也有研究顯示，砷可抑制體內多種酶的活性，Jomova等[11]證實，三價無機砷化物可抑制細胞內的丙酮酸脫氫酶、乙酰輔酶A等，影響細胞的三羧酸循環過程及谷胱甘肽的生物合成，進而造成對機體的損害作用。以上均是對砷毒性可能機制的探討，對其毒理作用的具體機制仍懸而未解，有待進一步研究探討。

5 展 望

目前，對于砷暴露與砷毒性的研究報道多來自于流行病學的調查研究，尚缺乏明確可靠的動物實驗模型，且砷的劑量對各個內臟器官的影響可能存在不同的濃度效應問題，還需深入研究。隨著分子生物學和遺傳學的不斷發展，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，尤其對基因甲基化的影響作用已引起學者的高度重視，但研究進展仍較艱難，機制不明確。在未來的研究中，應更加關注以下幾點：①復制砷中毒的動物模型，觀察不同劑量下實驗動物各個器官的功能和形態學改變，對可能的致病機制進行假設驗證；②更多利用基因芯片技術和分子生物學手段對砷中毒患者的遺傳物質進行研究，以發現并明確砷的遺傳學機制；③臨床研究與實驗室研究相結合，進行相互論證。

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