有毒外源化學物在肺部的代謝及其毒性作用研究進展

鄧利紅，胡建安

（中南大學湘雅公共衛生學院，湖南長沙 410078）

人們在生產生活環境中接觸有毒的外源化學物進入人體后，絕大多數需要經過體內代謝轉化后才能產生器官、細胞、亞細胞以及分子水平的效應，從而導致相應的結構異常及功能障礙，引起機體損傷或疾病。因此，有毒外源化學物的體內代謝與毒性作用關系一直是毒理學研究的重要內容。特定的外源化學物導致特定器官的損傷提示，這種對特定器官具有較強的親和性，可能與其代謝酶及其活性有關。許多外源化學物經代謝活化生成的中間體大多不穩定，不能轉移到其他器官或組織發揮作用。因此，外源化學物的原位代謝對靶器官的毒效應受到關注。

肺與外環境的接觸面積約為胃腸道和皮膚界面之和的4倍，是人體暴露有毒外源化學物最主要的途徑之一。各種氣體和氣溶膠以吸入的方式進入肺部，其他途徑進入血液的外源化學物也可經肺毛細血管網到達肺部，這使得肺成為人體接觸職業和環境化學物最重要臟器和毒作用靶器官。支氣管、細支氣管和肺泡壁內含豐富的生物酶類，是肺內代謝各類外源性化學物并產生生物學效應的主要部位。本文將從多類外源化學物經酶催化下在肺部原位代謝過程、活化代謝產物和生物學效應等方面進行綜述。

1 黃曲霉毒素

黃曲霉毒素（aflatoxin，AF）是黃曲霉和寄生曲霉產生的高毒性產物，其中黃曲霉毒素B1（AFB1）對哺乳動物毒性最大，被國際癌癥研究機構（Inter?national Agency for Research on Cancer，IARC）歸為Ⅰ類致癌物，致癌作用很強。流行病學數據提示，肺部暴露于AFB1與肺癌的發生相關。表達細胞色素P450（cytochrome P450，CYP450）的人支氣管上皮（human bronchial epithelium，HBE）細胞可將低濃度AFB1活化為AFB1-8，9-環氧化物（AFB1-8，9-epoxide，AFBO），AFBO可與DNA、RNA和蛋白質等大分子結合形成加合物，引起DNA損傷、細胞凋亡，甚至導致基因突變，引起癌癥發生［1］。在經AFB1處理的小鼠肺細胞中，發現DNA損傷標志物8-羥基-2′脫氧鳥苷（8-hydroxy-2’-deoxyguanosine，8-OHdG）生成增加、堿基切除修復活動增強、堿基切除修復通路限速酶8-氧基鳥嘌呤DNA糖基化酶1（8-oxoguanine DNA glyco?sylase，OGG1）增 加［2］。 而 AFB1 對 于 不 表達CYP450的人支氣管上皮并不產生毒性作用。表達CYP1A2的HBE細胞對AFB1的作用較為敏感，特別是在低濃度下，其代謝活化AFB1的能力大約為表達CYP3A4的HBE細胞的100倍［3］。但CYP1A2主要存在于人肝細胞中，在HBE細胞內表達甚微；而CYP2A13則主要表達在人肺細胞中，表達CYP2A13的HBE細胞在AFB1的作用下可生成AFB1-DNA加合物、AFB1-N7-鳥嘌呤加合物、8-OHdG以及DNA雙鏈斷裂標志物γH2AX［4］。另有實驗證實，CYP2A13 可將 AFB1代謝為終致癌物AFBO，其活化能力高于傳統優勢酶CYP1A2，是AFB1在肺組織中原位代謝的關鍵酶之一［5］。除CYP450，人肺泡巨噬細胞中表達的前列腺素H合酶（prostaglandin H synthase，PHS）和脂氧合酶（lipoxygenase，LOX）也是代謝AFB1的主要酶類［6］。除細胞毒性作用，AFB1還可導致細胞發生表觀遺傳學改變。人肺細胞系L-132中蛋白質精氨酸甲基轉移酶5（protein arginine methyltransferase 5，PRMT5）隨AFB1染毒劑量和染毒時間的增加而增加，這可能是AFB1重要的致癌機制之一［7］。另外，用AFB1處理穩定表達CYP2A13的HBE細胞導致微小RNA-138-1＊（microRNA-138-1＊，miR-138-1＊）的下調，并發現miR-138-1＊通過靶向3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶-1（3-phosphoinositide dependent protein kinase-1，PDK1）以及磷脂酰肌醇3激酶/3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶/蛋白激酶B（phosphatidylinositol 3-kinase/3-phosphoinositide dependent protein kinase/protein kinase B，PI3K/PDK/Akt）信 號 通 路 在AFB1誘導的HBE細胞惡性轉化中起到抑制作用［8］。AFB1的解毒主要依靠谷胱甘肽-S-轉移酶（glutathione S-transferase，GST）與AFBO的共價結合，雖人肺細胞對AFB1的代謝能力不及肝細胞，但由于解毒酶GST的缺乏，且AFB1可誘導人肺細胞中CYP450的產生，可增加人群暴露時患肺癌的風險。

2 碳鏈類化合物

2.1 丙烯腈

呼吸道吸入是作業工人職業接觸丙烯腈（acry?lonitrile，ACN）的主要途徑，職業接觸ACN工人患肺癌風險增加［9］，屬2B類致癌物。ACN在體內主要是由CYP2E1代謝為能與蛋白質和DNA結合的活性產物2-氰基環氧乙烷（2-cyanoethylene oxide，CEO）來發揮其致癌和致突變作用［10］。ACN不僅可引起細胞抑制和氧化應激，損傷細胞的DNA修復能力，還可導致雌性小鼠肺泡/細支氣管腺瘤或癌的發生率增加［11］。另外，人肺細胞LOX也可催化ACN代謝為CEO［12］。ACN具有較強的遺傳毒性作用，可導致HBE細胞姐妹染色單體和DNA斷裂［13］。這些研究結果為流行病研究提供了可靠的實驗依據。

2.2 1，3-丁二烯

1，3-丁二烯（1，3-butadiene，BD）是一種重要的有機化工原料，屬Ⅰ類致癌物。BD可在肺Ⅰ型細胞、肺Ⅱ型細胞和克拉拉細胞原位代謝產生生物學效應［14］。BD在肺部的代謝主要是由CYP2E1/2A6介導，其代謝產物有：1，2-環氧丁烯（1，2-epoxybutene，EB）、1，2，3，4-二甲氧丁烷（1，2，3，4-dimethoxy butane，DEB）和3，4-環氧-1，2-丁烯二醇（3，4-epoxy-1，2-butenediol，EBO）等，這是DB產生遺傳毒性和致癌性的基礎［14］。BD在肺部致癌機制可能涉及原位代謝活化、DNA損傷、表觀遺傳學改變和基因突變。BD可導致小鼠肺組織DNA損傷、基因表達差異和染色質改變［15］。動物實驗在小鼠的肺中檢測到可與DNA等生物大分子發生共價結合形成N7鳥嘌呤加合物的如EB和DEB等代謝產物［16］。BD的代謝產物丁二烯二環氧化物（butadiene diepoxide，BDO2）可抑制人胚肺成纖維細胞（human embryonic lung fibroblasts，HELF）的增殖，使大部分細胞停留在G1/G2期［17］。在暴露于BD的小鼠肺中檢測到表觀遺傳學改變，包括重復序列的DNA去甲基化和組蛋白-賴氨酸乙酰化［18］。此外，小鼠暴露于BD引起的肺部腫瘤涉及到K-ras癌基因的突變［19］。

2.3 氯乙烯

氯乙烯（vinyl chloride，VCM）是主要用來合成聚氯乙烯（poly VCM，PVC）的重要化工原料，是一種確定的人類致癌物（Ⅰ類致癌物），可誘導多器官腫瘤的發生。目前，呼吸道吸入是職業人群暴露的主要途徑。流行病學研究發現，VCM/PVC行業工人患肺癌風險增加［20］。高劑量、長期暴露VCM的27只小鼠中，26只形成肺腫瘤；同時觀察到末端細支氣管細胞（包括纖毛和克拉拉細胞）的增生和肥大以及炎癥［21］；提示VCM可在肺部代謝產生毒性作用。VCM的代謝是由CYP2E1介導生成氯乙烯環氧化物，一部分氯乙烯環氧化物可重排為2-氯乙醛（2-chloroacetalde?hyde，2-CAA）后經乙醛脫氫酶 2（acetaldehyde dehydrogenase 2，ALDH2）氧化為氯乙酸，再與GST結合排出體外［22］。VCM代謝中間產物氯乙烯環氧化物、2-CAA能與DNA、RNA和蛋白質等生物大分子共價結合，引起堿基錯配和基因突變，進而誘發腫瘤發生。有研究顯示，大鼠吸入性暴露于VCM可在肺部檢測到DNA加合物的形成［23］。但目前尚無采用肺上皮細胞為實驗對象證實VCM在肺部的代謝活化過程的研究，需要進一步研究加以證實。

2.4 醛類

醛類是與人類健康密切相關的一類揮發性有機化合物，醛暴露除了導致哮喘、COPD等呼吸道損傷外，還具有誘導突變和癌變的作用。醛類在肺部主要依靠醛脫氫酶代謝解毒為二氧化碳等代謝物來消除。甲醛是其中最為典型的一種，被IARC歸為Ⅰ類致癌物，但迄今對其致癌機制知之甚少。流行病學數據顯示，人群甲醛暴露會增加肺癌的風險［24］。HBE細胞主要是在還原型谷胱甘肽（gluta?thione，GSH）的參與下，依靠NAD-依賴性甲醛脫氫酶將甲醛氧化生成甲酸來代謝解毒。細胞中的甲醛如不能及時代謝排出，將對細胞產生如降低細胞活性、抑制細胞增殖等毒性作用。甲醛還可通過與呼吸道上皮相互作用，加劇哮喘發生時的氣道炎癥，甚至可協同其他空氣污染物如過敏原發生作用［25］。將豚鼠暴露于甲醛，發現豚鼠氣道平滑肌反應性增高［26］。有實驗將人支氣管細胞系Calu-3和16HBE細胞暴露于高濃度甲醛24 h，發現細胞活力下降、乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase，LDH）的釋放、活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）產生和細胞凋亡；還發現Calu-3細胞暴露于甲醛后，細胞單層反式上皮電阻呈濃度和時間依賴性降低，表明上皮通透性增加，甲醛可干擾氣道上皮完整性和功能［27］。此外，甲醛可誘導16HBE細胞發生DNA-蛋白質交聯和DNA單鏈斷裂，還可破壞DNA和抑制DNA修復［28］。用甲醛處理16HBE細胞發現，隨著暴露時間的延長，全基因甲基化水平降低；DNA甲基轉移酶3a（DNA methyltransferas?es 3a，DNMT3a）和DNMT3b在mRNA和蛋白水平上的表達下調，DNMT1和甲基CpG結合蛋白DNA結合域蛋白2（methyl-CpG-binding protein DNA-binding domain protein，MBD2）在 mRNA 和蛋白水平上表達上調，這些改變可能與其致癌作用有關［29］。

乙醛可引起與癌癥發生相關的細胞病變多步效應。人肺腺癌A549細胞暴露于乙醛可致與轉錄和信號轉導、炎癥和應激反應有關的基因表達差異［30］。乙醛暴露可導致16HBE細胞中GSH含量和Ca2+濃度持續升高，還能引起DNA鏈間交聯和DNA-蛋白交聯，并顯著降低DNA修復酶O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉移酶的活性，影響DNA損傷修復作用［31］。此外，丙醛、丁醛和戊醛也具有細胞毒性，可改變A549細胞系miRNA的表達，從而影響miRNA-mRNA相互作用，可能與醛暴露相關途徑如細胞因子-細胞因子受體相互作用、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號傳導和P53信號通路等相關［32］。

2.5 4-（甲基亞硝基氨基）-1-（3-吡啶基）-1-丁酮

4-（甲基亞硝基氨基）-1-（3-吡啶基）-1-丁酮〔4-（methylnitrosamino）-1-（3-pyridyl）-1-butanone，NNK〕是煙草煙霧中一種肺部致癌物。細胞實驗和動物實驗表明，NNK可誘導肺部癌前病變和腫瘤的發生。NNK在體內由CYP450代謝為能與DNA反應的活化產物，誘導DNA中的核苷堿基的甲基化、吡啶氧基丁基化和吡啶基羥基丁基化并形成DNA加合物，NNK的α-亞甲基羥基化產生甲烷重氮氫氧化物和甲基重氮離子，主要與DNA的7-N-甲基鳥嘌呤和O6-甲基鳥嘌呤以及少量的O4-甲基胸腺嘧啶產生反應［33］。目前已確認的DNA加合物有：7-［4-（3-吡啶基）-4-氧代丁-1-基］-2′-脫氧鳥苷、O2-［4-（3-吡啶基）-4-氧代丁-1-基］脫氧胞嘧啶、O2-［4-（3-吡啶基）-4-氧代丁-1-基］-2′-脫氧胸苷（O2-pobdT）和O6-［4-（3-吡啶基）-4-氧代丁-1-基］-2′-脫氧鳥苷（O6-pobdG）［33］。NNK可被羰基還原酶如11-β-羥基類固醇脫氫酶還原為4-（甲基亞硝氨基）-1-（3-吡啶基）-1-丁醇（NNAL）的（R）-和（S）-對映體，它們的代謝途徑與NNK類似，并具有與NNK相似的致癌性質［34］。

NNK代謝活化后產生DNA加合物，通過誘導基因突變促進癌癥發生。NNK還能誘導HBE細胞癌基因的激活和抑癌基因的失活，并下調DNA錯配修復蛋白的表達［35］；也可通過與煙堿型乙酰膽 堿 受 體（nicotinic acetylcholine receptors，nAChR）的結合，激活PI3K/AKT、MAPK/ERK等信號通路，調節細胞增殖、抑制細胞凋亡［36］；NNK及其代謝物可對HBE細胞產生氧化損傷、免疫抑制作用，增強HBE細胞的遷移和侵襲［37］。NNK還可與氣道上皮細胞分泌的血清胰島素樣生長因子共同作用促進癌癥的發生［38］。這些都與肺癌的發生發展有關。此外，NNK還可導致表觀遺傳學改變，如誘導DNMT1的激活和抑癌基因啟動子高甲基化［39］，還有NNK處理的實驗小鼠肺組織中長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）表達譜的改變［40］。

2.6 N-亞硝胺

N-亞硝胺是一類重要的環境致癌物，可誘導多種動物癌癥發生。常見的致癌性亞硝胺類化合物有：二甲基亞硝胺（dimethyl nitrosamine，NDMA）、二乙基亞硝胺（diethylnitrosamine，DEN）和甲基乙基亞硝胺（methylethyl nitrosamine，NMEA）。N-亞硝胺類化合物在體內是由CYP450介導α-羥基化生成羥基亞硝胺，該物質不穩定，可分解出重氮化物［41-42］。重氮化物是一種親電子的DNA烷化劑，可導致DNA烷化損傷，這是N-亞硝胺致癌的關鍵。用NDMA處理大、小鼠，可觀察到肺組織DNA甲基化，O6-甲基鳥嘌呤和7-甲基鳥嘌呤的量增多［43］。DEN可誘導大鼠、小鼠和樹鼩等多種動物發生肺腫瘤［44-45］。目前對于N-亞硝胺的研究大多局限于動物實驗，是否能外推到人仍需進一步研究。

3 芳香族化合物

3.1 多氯聯苯

多氯聯苯（polychlorinated biphenyls，PCB）是一類在環境中廣泛存在的持久性有機污染物，可在生物體內富集引起嚴重毒性作用。呼吸道吸入是人體PCB暴露的主要途徑之一，流行病學數據顯示［46］，暴露PCB與肺癌的發生有關。PCB是一種芳香烴受體（aromatic hydrocarbon receptor，AhR）激動劑，其在肺部是由CYP450代謝生成OH-PCB，結構不同的PCB同系物可被不同CYP450酶代謝，非鄰位取代PCB同系物主要由CYP1A酶代謝，而多個鄰位取代的PCB是CYP2B酶的底物［47］。當2個羥基被引入時，氯代二羥基聯苯代謝物可被細胞內的PHS等過氧化物酶氧化為醌類化合物。代謝過程中生成的反應性中間體（特別是醌類）可與DNA、RNA、蛋白質等大分子形成加合物。PCB126是其中最具代表性的一類PCB，大鼠通過鼻內途徑吸入PCB126，發現肺部有PCB126的蓄積，并且AhR表達增強［48］。PCB126處理HBE細胞可引起生長抑制甚至細胞凋亡［49］。PCB101可在低濃度時促進HELF的增殖而在高濃度時產生抑制作用；PCB101也可誘導ROS產生增加、GSH減少從而引起DNA損傷、細胞膜脂質過氧化［50］。PCB40與PCB77呈濃度和時間依賴性抑制HELF的增殖，引起細胞周期異常，增加凋亡蛋白的表達，甚至在高劑量下可能引起細胞致癌作用［51］。

3.2 多環芳烴類化合物

肺部暴露于多環芳烴類化合物（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAH）可能引起癌癥相關基因的突變，從而引起肺癌的發生。PAH依靠CYP1A1/1B1代謝為二氫-環氧化物，另外，PAH可活化AhR，誘導包括CYP1A1/1B1以及幾種Ⅱ相代謝酶在內的基因轉錄調控［52］。多種PAH可在人肺泡細胞中誘導CYP1A1/1B1的表達，并形成DNA加合物［53］。

苯并［a］芘（benzo［a］pyrene，B［a］P）是研究較多的一個PAH，可對HBE細胞產生毒性作用、DNA損傷甚至引起細胞凋亡［54］。用B［a］P及其代謝物處理的HBE細胞發現有原癌基因c-myc表達上調［55］。B［a］P在肺部主要是依靠NADPH依賴的CYP450代謝為B［a］P-7，8-環氧化物，然后通過微粒體環氧化物水解酶（microsomal epoxide hydro?lase，mEH）水解為B［a］P-7，8-二氫二醇（benzo［a］pyrene-7，8-dihydrodiol，BPD），其次，再由CYP450代謝為B［a］P-7，8-二氫二醇-9，10-環氧化物（7，8-dihydroxybenzo［a］pyrene-9，10-oxide，BPDE）。BPDE可與DNA共價結合形成具有遺傳毒性的BPDE-DNA加合物。實驗發現，CYP450參與BPD的代謝，并且發現BPD通過Chk1通路而抑制HBE細胞的增殖［56］。CYP1A1/1B1在B［a］P的代謝過程中起關鍵作用，B［a］P可引起HBE細胞中CYP1A1/1B1表達上調，進而誘導BPDE-DNA加合物的產生。有研究發現，B［a］P可誘導16HBE細胞惡性轉變，并在裸鼠皮下形成腫瘤［57］。另外，暴露于B［a］P可引起肺部炎癥反應，炎癥因子IL-8可增加CYP1A1/1B1的表達，從而增強B［a］P的代謝［58］。B［a］P在代謝過程中產生大量的ROS，還能引起大鼠尿中8-OHdG水平升高［59］。體外實驗證實，暴露于B［a］P的肺組織中生成的BPDE-DNA加合物比肝組織多，且持續時間更長，這可能是由于不同組織DNA修復能力差異所引起［59］。

3.3 硝基多環芳烴

硝基多環芳烴（nitropolycyclic aromatic hydro?carbons，NPAH）的致癌和致突變作用比相對應的非硝基芳烴強，其本身不具有致癌性，需要代謝活化才能發揮基因毒性作用。3-硝基苯甲酮（3-nitro?benzophenone，3-NBA）是一種典型的NPAH，是大鼠致癌物和人類可疑致癌物，具有強致突變性，可導致微核形成。進入細胞后，3-NBA由NAD（P）H∶醌氧化還原酶1［NAD（P）H∶quinone oxidoreduc?tase，NQO1］、黃嘌呤氧化酶（xanthine oxidase，XO）、微粒體NADPH∶細胞色素P450氧化還原酶（NADPH∶cytochrome P450 oxidoreductase，POR）等硝基還原為3-OH-ABA，隨后被Ⅱ相酶如N，O-乙酰轉移酶（N，O-acetyltransferases，NAT）和磺基轉移酶進一步活化，形成能與DNA反應的N-乙酰氧基磺酰氧基酯［60-61］。現在已確認的3-NBA代謝物主要有3-氨基苯并酮（3-aminobenzanthrone，3-ABA）、3-乙酰氨基苯并蒽酮（3-Ac-ABA）和N-乙酰基-N-羥基-3-氨基苯胺酮（N-Ac-N-OH-ABA）等［62］。3-NBA代謝物與DNA嘌呤堿基結合形成的加合物主要有2-（2′-脫氧腺苷-N6-基）-3-氨基苯胺酮（dA-N6-ABA）、2-（2′-脫氧鳥苷-N2-基）-3-氨基苯酮（dG-N2-ABA）、N-（2′-脫氧鳥苷苷-8-基）-3-氨基苯酮和dG-C8-N-ABA［61］。

3-NBA的暴露可在大鼠肺部呈劑量依賴性誘導DNA加合物的形成。3-NBA和3-ABA能誘導大鼠肺中NQO1和CYP1A1的表達，從而增強自身的遺傳毒性和致癌作用［63］。3-NBA及其代謝物3-ABA對A549細胞系具有遺傳毒性作用，且可導致細胞中ROS生成增加、Ca2+和胱天蛋白酶活性增加及細胞增殖抑制等［64］。3-NBA的暴露可激活HBE細胞P53的轉錄而誘導細胞凋亡，還可引起DNA損傷［65］。此外，3-NBA可異構化成2-NBA，對人肺細胞產生遺傳毒性作用。實驗表明，通過肺吸收3-NBA在大鼠肺中誘導高水平的特異性DNA加合物與血液中DNA加合物之間具有相關性［66］，說明血液中持續存在的3-NBA-DNA加合物可能是人類呼吸道暴露于3-NBA的有效生物標志物，有助于評估暴露者的生物有效劑量。

3.4 其他芳烴

到目前為止，苯在肺部代謝的研究證據較少。有研究表明，苯暴露可對A549細胞產生細胞毒性作用，這與代謝活化產生與DNA結合的中間體以及ROS的增加有關。苯在肺部的代謝可能是由CYP2E1所介導催化為苯酚和氫醌，再由過氧化物酶代謝為苯醌發揮作用［67］。有研究提示，苯作用于中國倉鼠肺成纖維細胞（Chinese hamster lung fibroblasts，CHL）可導致 DNA斷裂和 DNA交聯［68］。4-氨基聯苯（4-aminobiphenyl，4-ABP）是Ⅰ類致癌物，可在肺部代謝產生DNA加合物［69］。目前普遍接受的觀點是，4-ABP首先由CYP450進行N-羥基化，形成N-羥基-ABP，然后經NAT1和（或）NAT2等Ⅱ相酶代謝，產生高度不穩定的酯代謝物，酯能自發水解成與多種細胞大分子（包括DNA）形成共價加合物的活性中間體［70］。Lin等［71］使用負離子氣相色譜-質譜法在肺部檢測到4-ABP代謝產物。表達5-LOX的HBE細胞也可活化4-ABP導致DNA 損傷。聯苯胺（benzidine，BZD）和 β-萘胺（beta-naphthylamine，BNA）均是膀胱致癌物。近期有報道發現，職業暴露于BZD/BNA與肺癌的發病率相關，目前尚不清楚其致癌機制［72］。與其他芳香族胺一樣，它們首先由CYP450 N-氧化，然后被NAT1等Ⅱ相酶O-乙酰化，代謝為能與DNA反應的活性親電子物質［73］。16HBE細胞內的5-LOX可介導BZD協同氧化生成聯苯胺二亞胺，對16HBE細胞產生DNA損傷［74］。目前這方面研究較少，仍需進一步實驗支持以上觀點。

4 無機化合物類

4.1 砷及其化合物

無機砷及其甲基化代謝物具有致癌和抗癌的雙重作用。流行病學研究發現，職業接觸砷會增加暴露者患肺癌風險［75］。有文獻報道，砷誘導HBE細胞發生惡性轉化［76］。砷暴露可導致人機體OGG1基因高甲基化以及氧化應激水平上升［77］。Meta分析發現，尿液中砷代謝物單甲基砷酸鹽（monomethyl arsenate，MMA）的百分比與肺癌的發生高度相關［78］，提示砷致肺癌的機制可能與砷在肺部的代謝有關。砷（+3）甲基轉移酶〔arsenic（+3）methyl?transferase，AS3MT〕將無機砷轉變為單甲基和二甲基砷曾被認為是砷的解毒途徑。現有文獻將砷的三價甲基化代謝物認為是砷致癌物質活化的過程。在甲基供體S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylme?thionine，SAM）和輔因子GSH的參與下，無機砷被AS3MT代謝為單甲基化砷代謝物（如MMAⅢ和MMAⅤ）和二甲基化砷代謝物（如DMAⅢ和DMAⅤ）［79］。三價甲基砷的遺傳毒性和細胞毒性比三價砷更大，能通過誘導ROS產生細胞毒性，如氧化損傷、影響細胞內信號通路等。另外，砷的代謝物三價砷酸鹽可與維生素硫醇相互作用，影響多種蛋白質和酶的功能和活性，五價砷酸鹽可使線粒體氧化磷酸化解偶聯［80］。因此，無機砷在肺部的代謝活化可能是其致肺癌等毒作用發揮和增強的必要條件。

4.2 鉻及其化合物

在職業場所和生活環境中吸入六價鉻［Cr（Ⅵ）］化合物可引起呼吸系統損傷和癌癥。流行病學數據顯示，Cr（Ⅵ）的暴露與肺癌發生存在顯著關聯［81］。HBE是鉻的靶細胞。多篇實驗報道，Cr（Ⅵ）可引起HBE細胞凋亡，增強細胞增殖、遷移、侵襲和誘導腫瘤的能力，發生惡性轉變［82］。HBE細胞的急性Cr（Ⅵ）染毒后，腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、環氧化酶2（cyclooxy?genase-2，COX-2）、核因子κB（nuclear factor-κB/p65，NF-κB/p65）和核因子E2相關因子2（nucle?ar factor erythroid-2 related factor 2，Nrf2）的表達增加，而Cr（Ⅵ）誘導產生的ROS引起炎癥反應增強［83］。Cr（Ⅵ）本身并不與DNA反應，需經陰離子轉運系統進入細胞后，被GSH和抗壞血酸等還原劑迅速還原為不穩定的Cr（Ⅴ）和Cr（Ⅳ），然后還原為Cr（Ⅲ），并且產生可引起DNA鏈斷裂、堿基修飾、脂質過氧化和轉錄因子活化的ROS［84］。這些代謝產物具有細胞毒性和遺傳毒性，可引起DNA損傷，包括形成DNA加合物、DNA雙鏈斷裂、突變、染色體畸變和姐妹染色單體交換［85］。三聯Cr（Ⅲ）-DNA-蛋白質交聯是一種穩定的絡合物，是鉻引起基因損傷的重要原因。此外，Cr（Ⅵ）處理可引起HBE細胞表觀遺傳學改變，例通過組蛋白乙酰化修飾引起HBE細胞生物素酶的下調［86］。Cr（Ⅵ）處理還可上調P16的CpG1，CpG31和CpG32位點的甲基化水平，P16的CpG1甲基化水平可作為由Cr（Ⅵ）染毒引起的表觀遺傳作用的生物標志物［87］。

5 展望

肺是吸入性外源化學物最為重要的靶器官，在外源化學物進入肺部經生物酶進行代謝活化的過程中，可能引起一系列呼吸道損傷甚至癌變。在器官水平上，外源化學物可引起炎癥、癌變等器質性損傷；在細胞水平上，各種活化的外源化學物對肺細胞具有不同程度的毒性作用，如抑制細胞增殖、誘導細胞凋亡、促進細胞轉化等；在分子水平上，外源化學物可改變細胞膜的通透性，引起細胞鈣穩態失調，影響細胞內信號轉導通路，活化的外源化學物與細胞內大分子如DNA、RNA和蛋白質等共價結合，以及生成自由基引起氧化損傷。肺部細胞存在如CYP450、LOX、前列腺素合酶和mEH等豐富的酶類，AFB1、碳鏈類、芳香族類和無機類等化學物都能在肺部進行代謝活化，但由于各類代謝酶在肺部各類細胞中分布不均勻，活化酶和解毒酶的活性程度也不盡相同，這使得不同的外源化學物對肺的親和性不同，造成的損傷程度也不盡相同。

綜上，外源化學物肺部代謝的研究具有重要意義和價值。然而，現在大部分肺部代謝的研究都是使用體外細胞培養實驗（表1），這不能完全解釋體內代謝過程，應盡量進行動物模擬實驗和體外組織培養實驗以取得更多更可靠的實驗結果。

表1外源化學物在肺部的代謝及其毒性作用

續表1