輻射影響細胞色素P450的研究進展

辛元堯，年永瓊，李向陽

(1.青海大學生態環境工程學院，青海 西寧 810016；2.青海大學醫學院，青海 西寧 810001；3.青海大學三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室，青海 西寧810016)

代謝是機體處置外源性物質(包括藥物和毒物)的最主要方式，該過程一般是在酶的催化下進行的，其中催化藥物代謝的酶統稱為藥物代謝酶，體內參與藥物代謝的酶主要是細胞色素 P450(cytochrome P450，CYP450)。CYP450酶的全酶由血紅素和脫輔基蛋白構成，它以鐵卟啉 Ⅸ 為輔基，是一系列包埋于內質網膜中功能相關的同工酶。90%以上的藥物經過CYP1A2、CYP2C9、CYP2C19、CYP2D6、CYP2E1和CYP3A4這6種同工酶進行代謝，其含量約占肝內CYP450酶總量的80%以上[1]。

細胞色素P450酶的活性和表達影響藥物生物活性、療效及安全性。而環境和疾病是影響其活性和表達的重要因素。當環境因素改變或機體發生疾病時可導致CYP450酶過表達或產生抑制，從而使藥物的臨床治療效果發生變化或使機體產生耐藥性。近年來對藥物代謝酶的研究主要集中在藥物之間的相互作用及環境影響等方面。

輻射作為環境因素的一個重要方面，其對藥物體內代謝的影響引起廣泛關注，研究包括X-ray、γ-ray 等電離輻射和紫外輻射(UVA、UVB)等非電離輻射及放射性核素(鈾、銫等)。

輻射條件下機體產生一系列生理性變化，部分為病理性變化，這些變化可引起機體臟器功能、代謝和結構發生改變，以及脂質、DNA和蛋白質的損傷，組織細胞的死亡，DNA突變及合成受阻。其影響涉及機體的神經系統、免疫系統、內分泌系統、呼吸系統、消化系統等[2-3]。從而影響藥物在體內的吸收、分布、代謝和排泄，導致藥物代謝動力學特征發生改變。本文綜合闡述了環境及臨床治療的電離及非電離輻射對藥物代謝酶的影響，輻射條件下藥物代謝動力學特征的變化。

1 輻射對機體的影響

輻射可引起腦型、腸型和骨髓型等放射病；輻射早期，細胞變性、凋亡和壞死，嚴重血管反應和出血，致死性和繼發性感染[4]；輻射晚期，造血功能障礙，免疫功能低下，惡性腫瘤發生，頑固性皮膚潰瘍，以及多種器官纖維化[5]。免疫系統對輻射極為敏感，當小鼠受到照射后，脾臟、胸腺等免疫器官及淋巴細胞會受到損傷導致免疫功能下降，且其恢復也很緩慢[6-7]。付青姐等[8]通過研究輻射對小鼠脾臟的損傷顯示低劑量慢性輻射能降低小鼠的脾臟系數、抑制脾臟淋巴細胞的增殖，對小鼠脾臟造成病理損傷，破壞脾臟細胞的超微結構。康偉祥[9]等研究顯示，在紫外誘變超凈臺(3個紫外燈管285 nm)垂直距離20 cm進行照射，強度為1.5 mW·cm-2，連續30 d條件下，與正常對照組比較，輻射損傷組精子密度精子活動力明顯下降、精子畸形率增加，表明輻射損傷組能顯著損傷精子的生成。王敏等[10]對于X射線輻射對小鼠(Mus musculus)腎組織結構及功能的影響研究中發現，X射線輻射嚴重影響腎的組織結構，肌酐、尿素氮等代謝廢物不能及時排出，導致腎功能異常。在臍血間充質干細胞對對輻射損傷小鼠造血功能的影響研究中發現，小鼠在2 Gy射線照射劑量進行全身輻射后白細胞總數、淋巴細胞總數、紅細胞總數、血紅蛋白總數明顯下降，與正常組相比差別顯著，血清中MDA 含量下降 SOD 活性下降，說明輻射對造血功能產生了損傷[11]。孫恒文等[12]對X射線誘導肺癌SPC-A-1細胞是否發生新的細胞死亡形式Parthanatos(由PARP-1激活導致的細胞死亡)進行研究，結果顯示AIF核轉位參與了X線誘導的細胞凋亡過程。輻射后12 h AIF由線粒體向細胞核轉位顯著增多，導致細胞核固縮、碎裂、溶解，細胞發生了Parthanatos。任雪玲等[13]通過研究丙谷二肽對γ射線致小鼠肺組織損傷的防護作用的結果顯示，4.0 Gy60Co-γ射線照射3 d后小鼠肺組織SOD活性下降，肺臟指數升高，細胞凋亡率增加，肺組織Bcl-2蛋白表達降低，Bax蛋白表達升高。Yamazaki 等[14]通過動物實驗發現經X線照射后味覺的基底細胞幾乎消失，照射后8 d，味覺細胞的數量也有所減少，尤其是Ⅱ型味覺細胞，這很可能是導致放療后味覺功能障礙的原因。

2 輻射對細胞色素P450的影響

2.1 CYP1 UVB照射對人體角質形成細胞[15]、肝癌細胞系HepG2[16]、原代人血淋巴細胞和小鼠HEPA-1細胞[17]中CYP1A1的蛋白質和mRNA有明顯的誘導作用，UVA和UVB組合照射對人體角質形成細胞CYP1A1的蛋白質和mRNA有相同的誘導作用，并證明是由色氨酸形成的Ah受體配體介導的[17]。測定長期飲用含鈾飲用水的大鼠腦、肝、肺、腎和腸組織中CYP1A1的蛋白和基因表達，結果顯示CYP1A1的蛋白和基因表達沒有顯著變化[18]。

3 Gy的γ射線照射大鼠全身24 h后，CYP1A2的mRNA表達沒有變化[19]。5.5 Gy的γ射線照射對CYP1A2有誘導作用，并使CYP1A2的蛋白和mRNA表達均顯著增加[20]。大鼠尾靜脈注射硝酸鈾酰溶液沒有引起CYP1A2蛋白和基因表達的變化。

在人體皮膚細胞實驗中，UVB能夠誘導CYP1B1的mRNA和蛋白的表達[15]，在Behrendt等[21]的研究中顯示斑馬魚胚胎及幼蟲暴露于UVB照射(8 h)下會誘導CYP1B1 mRNA表達，對CYP1C1，CYP1C2，CYP1D1 mRNA的表達沒有影響。

CYP1系列酶中，CYP1A1的表達受紫外輻射誘導影響，不受鈾輻射影響。CYP1A2的酶的活性表達受高劑量γ 射線誘導影響，不受鈾輻射影響。CYP1B1的表達受紫外輻射誘導影響。CYP1C、CYP1D的表達不受紫外輻射的影響。

2.2 CYP2 低劑量(每天1 mg)長時間(9個月)給予大鼠貧鈾飲用水后發現CYP2A、CYP2B、CYP2C活性在肝組織中無變化，而在腎臟中CYP2B1 mRNA表達增加2倍[18]。UVB照射下大鼠肝臟CYP2B的活性同樣無變化[22]。大鼠在急性鈾輻射條件下[通過尾靜脈注射一次硝酸鈾酰溶液(5 mg·kg-1)]CYP2B1，CYP2B2在肝臟中的蛋白和mRNA表達無變化，CYP2C11蛋白表達下降80%，mRNA表達下降75%(與對照組相比)，CYP2E1蛋白表達增加2.3倍，mRNA表達增加3倍，酶活性增加[23-27]。

在急性快中子輻照對肝臟的生物學效應實驗中發現，快速中子照射后(0、0.25、1、2、4和8 Gy)，CYP2E1的蛋白表達呈劑量依賴性增加[28]。不同條件下γ射線對CYP2E1的影響略有不同，低劑量的連續γ輻射，mRNA表達和蛋白表達降低。低劑量的急性γ輻射，蛋白表達增加，mRNA表達降低。高劑量的急性γ輻射，蛋白表達降低，mRNA表達降低。研究者認為這種變化可能與過氧化過程和氧化應激的發展有關[29]。在乙醇和γ射線照射持續聯合影響實驗中發現，CYP2E1蛋白表達在第一周升高，而第二周恢復正常[30]。用5.5 Gy γ射線照射大鼠后，與空白組相比，輻射對CYP2B1的酶活性有顯著的誘導作用，對CYP2D1的酶活性有抑制作用，但無顯著性差異。輻射組CYP2B1 mRNA 和蛋白表達明顯上調，CYP2D1 mRNA 表達明顯下調，蛋白表達有抑制趨勢，但無顯著性差異，CYP2E1 mRNA 表達有誘導趨勢，但無顯著性差異，蛋白表達明顯上調[20]。60Co γ 照射大鼠，0.5～1 Gy γ 射線輻射的大鼠肝臟中未發現CYP2E1水平變化，3 Gy γ 照射后24 h CYP2E1的蛋白和mRNA的表達分別增加2.5倍和3.6倍[19]。

大鼠持續服用含銫的飲用水3個月后，在大鼠肝臟中觀察到維生素D25羥化酶(CYP2R1)mRNA表達水平增加40%，在腦組織中CYP2R1 mRNA水平降低了20%[31]。Tissandie等[32]研究了137Cs對新生大鼠維生素D生物合成途徑的影響，結果發現21日齡大鼠肝臟中CYP2R1 mRNA表達水平下降26 %。

CYP2系列酶中，CYP2B1的表達受 γ 射線誘導有顯著影響，但不受紫外輻射影響，CYP2C9的表達受 γ 射線誘導，無顯著性差異。 γ 射線對CYP2E1的表達有顯著影響。CYP2D1可能為特殊的一種酶，高劑量輻射使大部分藥物代謝酶CYP450的表達升高，但CYP2D1的表達降低。在高原低氧條件下CYP2D1的表達升高與大部分藥物代謝酶CYP450的表達降低相反[33]。

2.3 CYP3 Chung等[19]在研究中發現大劑量(3 Gy)γ 射線輻射后24 h時大鼠CYP3A的蛋白和mRNA表達沒有明顯影響，而5.5 Gy 的γ 射線照射對CYP3A4有顯著的誘導作用，使CYP3A1的蛋白和mRNA表達均顯著增加[20]。長期暴露于貧化鈾飲用水的大鼠肝臟內CYP3A活性無顯著變化[18]。Guéguen等[34]指出鈾輻射的大鼠輻射后第1天肝臟中CYP3A活性降低，但在第3天mRNA水平上升恢復到與對照相似的水平，該變化機制尚不明確。Souidi等[18]研究發現，暴露于含貧化鈾飲用水(1 mg·d-1)9個月的大鼠CYP3A1的mRNA表達在肝、腦和腎組織中分別增加3倍、2倍和9倍；CYP3A2的mRNA表達在肝和肺組織中分別增加了2倍和3倍。而UVB和UVA照射不影響CYP3A的活性和表達[22]。

CYP3系列酶，均不受紫外輻射的影響。CYP3A1受高劑量γ 射線及鈾輻射影響。CYP3A2受鈾輻射影響使表達上升。

2.4 其他系列酶 在人體皮膚細胞體外輻射實驗中，UVA和UVB聯合照射及UVA照射誘導CYP4A11的蛋白和mRNA表達，而單UVB照射時未檢測到CYP4A11 mRNA表達。UVA和UVB聯合照射輕微誘導CYP19A1 mRNA的表達[35]。大鼠3個月飲用受137Cs污染的水6 500 Bq/l(150 Bq·d-1)，CYP7A1在肝組織的活性無變化，mRNA表達未受影響[36][37]。急性貧鈾輻射對大鼠肝臟CYP7A1活性無影響[34]。而9個月的低劑量(40 mg·kg-1)貧鈾輻射影響下大鼠肝臟中CYP7A1活性降低，CYP7B1的mRNA表達減少[38]。

莫琳芳[39]發現γ射線顯著降低大鼠膽固醇7-羥化酶CYP7A1的mRNA表達，且隨累積劑量的增大，表達下調程度增加。低劑量(0.09 Gy·h-1)γ射線連續照射14、28和45 d后，CYP7A1的mRNA表達分別是對照組的0.396、0.228和0.140倍。

Racine等[40]發現慢性銫輻射誘導了分解代謝膽固醇的CYP27A1的酶活性。暴露于含Cesium-137(銫-137)飲用水3個月的大鼠腦組織中CYP27B1的mRNA表達水平增加35%[31]。檢測接受慢性銫輻射的21日齡大鼠腎臟的CYP27B1的表達變化，發現CYP27B1的mRNA表達水平降低39%，表明銫輻射誘導維生素D代謝改變[32]。

大鼠接受貧鈾(204 mg·kg-1)灌胃給藥，第1天CYP27A1的mRNA表達、活性無明顯變化，CYP27B1表達增加11倍；第3天CYP27A1的mRNA表達增加3倍，CYP27B1表達增加4倍[41]。大鼠接受慢性貧鈾后，腦組織中CYP27A1的活性先下降后增加，mRNA水平下降32%，肝臟中CYP27A1的mRNA表達和活性無變化，在腎臟中CYP27B1的mRNA表達沒有發生變化[42]。

Marchenko等[43]研究了輻射對大鼠肝臟中部分解毒酶活性的影響，結果發現低劑量X射線抑制細胞色素P450和谷胱甘肽-S-轉移酶活性。高放射性污染區域人體胎盤樣本中GST活性和mRNA水平下調[44]。

有關輻射對其他藥物代謝酶如Ⅱ相代謝酶、和藥物的影響尚未見文獻報道。

表1 輻射影響CYP450(上升：↑;下降：↓;無影響：―)

表1(續)

3 展望

放射治療是惡性腫瘤的有效治療方式之一，參與了70%左右的癌癥患者治療癌癥的過程，每100個被治愈的腫瘤患者中，就有40人通過放射治療獲益。除此之外，從事與放射相關的工作人員和高原地區居民也是可能受到輻射損傷的人群。因此這些人群的個體化用藥，逐漸成為醫學和藥學科研人員研究的重點。

輻射對藥物代謝酶的影響研究大多為Ⅰ相代謝酶，對二相代謝酶的影響相對較少，二相代謝酶主要包括葡萄糖醛酸轉移酶、谷胱甘肽-S-轉移酶、N-乙酰基轉移酶等，其作用是催化藥物或代謝物與內源性小分子的葡萄糖醛酸、谷胱甘肽和乙酰基結合，形成極性化合物從尿和膽汁中排出。近年來人們對二相酶的關注度逐漸上升，Nrf2(Nuclear factor (erythroid-derived2)-like 2 protein)是這些二相酶最重要的轉錄因子，自由基和綠色蔬菜中的一些物質如姜黃素是這種酶的誘導因子，而這些物質具有抗氧化、抗癌作用，是目前國際上的研討熱點。因此應加強輻射影響二相代謝相關酶的研究。

在輻射源的選擇方面，目前的研究主要集中在電離輻射對細胞色素酶的影響，且X射線的相關研究少于γ射線、鈾輻射以及銫輻射。而非電離輻射的相關文獻報道較少，非電離輻射主要來源于紫外線輻射、紅外線輻射、射頻輻射、激光等。全世界有3 800萬高原地區居民長期受到紫外線的影響，在高原特殊環境中，紫外線對藥物代謝的影響應受到足夠的重視，對急進高原和久居高原人群合理用藥有指導意義。同時，一些長期處于非電離輻射環境中工作的人們由于受輻射影響導致一些疾病的發生，因此應對非電離輻射對細胞色素酶的影響進行系統的研究以對其防護及臨床用藥提供理論依據。

實驗對象的選擇大多為動物，人體的相關研究較少，但由于動物與人體藥物代謝的差異性是不可避免的，因此對人體藥物代謝動力學的試驗應受到重視，尤其對放療后的腫瘤患者藥物代謝酶的變化的監控及研究，從而及時給予相應的臨床給藥方案和后續的手術治療。

大量研究顯示，輻射對藥物代謝酶的影響主要集中在CYP450酶及其相關藥物的蛋白和mRNA表達方面，而對其活性影響的研究較少。應擴大研究范圍，并加強探討不同輻射源的影響及其機制。同時，對不同輻射條件、不同物種及不同細胞色素酶進行系統性的研究。以及如何對受輻射人群進行合理有效的用藥，極具研究潛力，可以為指導臨床合理用藥提供了一定的科學依據。