芥子氣中毒人員尿液標(biāo)記物譜分析及其臨床診斷應(yīng)用

張雅姣，徐 斌，徐 華，吳劍鋒，陳 佳，王春燕，郭 磊，邱澤武，謝劍煒*

(1.軍事醫(yī)學(xué)研究院毒物藥物研究所，抗毒藥物與毒理學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100850；2.解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心，北京 100039)

芥子氣(Sulfur mustard，簡稱SM；美軍代號HD)化學(xué)名為2,2′-二氯乙基硫醚，是一種劇毒糜爛性化學(xué)毒劑，可通過呼吸道、皮膚、粘膜與眼睛等部位進(jìn)入機(jī)體，毒性表現(xiàn)為皮膚黏膜起皰、呼吸道感染、免疫系統(tǒng)受損、生殖系統(tǒng)功能缺失等[1]，甚至導(dǎo)致癌癥以及長期病癥[2]。歷史上芥子氣曾在一戰(zhàn)與兩伊戰(zhàn)爭等多次戰(zhàn)爭中使用，導(dǎo)致近百萬人員傷亡，同時也是二戰(zhàn)時日本在華遺棄化學(xué)武器的最主要組成，已在我國造成多起人員中毒事件，如齊齊哈爾“8.4”芥子氣中毒事件等[3]，至今仍嚴(yán)重威脅著我國人民生命與生態(tài)環(huán)境的安全。另外，在當(dāng)今日益復(fù)雜的國際環(huán)境下，芥子氣具有被用于戰(zhàn)爭沖突和恐怖襲擊的潛在可能，如2015年敘利亞恐襲事件，芥子氣施放造成大量人員傷亡[4-5]。

芥子氣合成問世已近200年，但其全部毒理機(jī)制仍未闡明，臨床無特效救治藥物，僅按照燒傷對癥治療[6]；且中毒后潛伏期較長，臨床早期診斷存在較大困難，亟需從芥子氣體內(nèi)代謝特征研究的角度進(jìn)行溯源分析。芥子氣是一種高反應(yīng)活性的烷基化物質(zhì)，生理?xiàng)l件下快速形成硫鎓離子，可與體內(nèi)親核物質(zhì)/親核位點(diǎn)發(fā)生廣泛的化學(xué)作用。體內(nèi)代謝途徑主要分為4類：①水解/氧化過程產(chǎn)生硫二甘醇(TDG)、硫二甘醇亞砜(TDGO)、芥子亞砜(SMO)、芥子砜(SMO2)、二乙烯砜(DVS)等；②與谷胱甘肽(GSH)加合后，經(jīng)氧化與β裂解酶或乙酰轉(zhuǎn)移酶作用產(chǎn)生1,1′-磺酰基-二[2-S-(N-乙酰半胱氨酸)]乙烷(SBSNAE)、1,1′-磺酰基-二(2-甲硫基)乙烷(SBMTE)、1-甲基亞磺酰基-2-(2-甲硫基乙基磺酰基)乙烷(MSMTESE)、1,1′-磺酰基-二(2-甲基磺酰基)乙烷(SBMSE)等；③與DNA分子堿基加合形成系列單加合物與雙鏈交聯(lián)加合物，主要包括N7-(2-羥乙基硫代乙基)鳥嘌呤(N7-HETEG)、O6-(2-羥乙基硫代乙基)鳥嘌呤(O6-HETEG)、N3-(2-羥乙基硫代乙基)腺嘌呤(N3-HETEA)與雙[2-(N7-鳥嘌呤)]乙硫醚(Bis-G)；④與蛋白質(zhì)加合產(chǎn)生血紅蛋白纈氨酸加合物(HETE-Val)、組氨酸加合物(HETE-His)、白蛋白酪氨酸加合物等(圖1)。

圖1 芥子氣的代謝途徑及主要產(chǎn)物示意圖Fig.1 The metabolic way and major metabolites of sulfur mustard*metabolites underlined were analyzed in this work;collected from references[7-16]

上述4類十余種代謝產(chǎn)物或加合物被認(rèn)為是芥子氣暴露的重要生物標(biāo)記物，已從動物水平獲得了系列數(shù)據(jù)，亦受到芥子氣暴露溯源、毒性評價與機(jī)制研究方面的高度重視[7-16]，近年來逐步用于國內(nèi)外數(shù)例芥子氣人員中毒事件的溯源性研究。目前主要為血、尿樣本，亦有少數(shù)組織樣本，多利用氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)與液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)技術(shù)對一類或幾類標(biāo)記物進(jìn)行分析。如針對4例兩伊戰(zhàn)爭中伊朗芥子氣中毒傷員，在其暴露后5～10 d的血液中檢出HETE-His與HETE-Val蛋白加合物[17]；對于2例意外接觸芥子氣傷員，在暴露后2～3 d的尿液中檢出水解產(chǎn)物TDG、TDGO，以及GSH-β裂解產(chǎn)物SBMSE、MSMTESE等[18]；對于9例芥子氣中毒人員，血液中檢出血紅蛋白加合物與白蛋白加合物[19-20]等。

2014年，本課題組針對我國4例芥子氣意外中毒傷員，對其組織滲出液、血液及尿液中4類12種代謝產(chǎn)物進(jìn)行定量分析，開展近4個月的暴露溯源追蹤，并發(fā)表國際首例芥子氣臨床全標(biāo)記物譜的研究報道，為臨床診治與預(yù)后評估提供了精準(zhǔn)指標(biāo)[21]。系列研究顯示芥子氣在人與實(shí)驗(yàn)動物體內(nèi)的代謝機(jī)制具有相似性：中毒早期，水解/氧化產(chǎn)物以及GSH-β裂解產(chǎn)物的相對含量較高，但中毒檢測窗較短，7 d后約90%產(chǎn)物隨尿液排出體外；而DNA與蛋白加合物的檢測窗可長達(dá)30～103 d，更適用于中毒后的長期溯源確證。

本文以1例疑似日遺化武芥子氣中毒人員暴露后的尿液樣本為研究對象，建立了尿液中7種游離代謝產(chǎn)物(TDG、TDGO、SMO、SBMTE、MSMTESE、SBMSE和SBSNAE)的兩步固相萃取聯(lián)用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(SPE/UPLC-MS/MS)同時定量分析方法；結(jié)合課題組前期建立的尿液中游離堿基加合物的同位素稀釋-UPLC-MS/MS法[14]，從無損樣本的角度，對患者尿液中可能賦存的芥子氣生物標(biāo)記物進(jìn)行溯源分析。研究結(jié)果為臨床診斷、療效評價以及預(yù)后評估等提供了直接評價指標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀：ACQUITY超高效液相色譜系統(tǒng)(美國沃特世公司)，5500 Qtrap串聯(lián)質(zhì)譜儀(美國愛博才思公司)，Waters HSS T3色譜柱(100 mm×2.1 mm，1.8 μm，美國沃特世公司)；正壓式固相萃取儀(北京普立泰科公司);陽離子交換(MCX)固相萃取柱(200 mg/3 mL)、HLB固相萃取柱(200 mg/3 mL)(美國沃特世公司)。

甲醇、乙腈(色譜純)購自韓國德山公司，TDG、甲酸(色譜純)、甲酸銨(質(zhì)譜級)購自美國西格瑪-奧德里奇公司，D8-TDG(純度>95%)購于美國劍橋CIL公司，乙酸銨(分析純)購于中國國藥集團(tuán)有限公司，N7-HETEG(純度>96%)、O6-HETEG(純度>98%)、Bis-G(純度>97%)、N3-HETEA(純度>98%)、TDGO、SMO、SBMTE、SBMSE、MSMTESE、SBSNAE、SBESE(純度均大于95%)為本課題組微量合成制備[10]；內(nèi)標(biāo)D4-N7-HETEG、D4-O6-HETEG、D4-Bis-G、D4-N3-HETEA(氘代率均大于99%)為本課題組微量合成制備[16]。超純水(18.2 MΩ·cm)由Milli-Q A10純水系統(tǒng)(美國密理博公司)制備。

1.2 病例樣本

中毒患者為22歲男性，在某次日遺化武銷毀現(xiàn)場作業(yè)7 h后，右肩皮膚出現(xiàn)燒灼感、伴有發(fā)紅現(xiàn)象，9 h后燒灼感與紅斑愈加明顯，約11 h后送至某醫(yī)院中毒救治科進(jìn)行治療。經(jīng)診斷該患者右肩可見5 cm×5 cm紅斑、多個水皰并伴隨破潰現(xiàn)象，燒傷等級為Ⅱ°，面積1%；總膽紅素與胱抑素C指標(biāo)升高，提示肝功能與氧化應(yīng)激水平異常；后續(xù)治療以抗感染、保肝、補(bǔ)液促排、局部換藥等對癥方案為主，7 d后出院。患者口述其在操作中不慎將1滴液體濺至右肩部位，疑似芥子氣皮膚暴露中毒。

采集患者暴露后3～7 d的全部尿液，于-70 ℃冷凍保存。檢測時將樣本于室溫條件下融解，對其中生物標(biāo)志物進(jìn)行定量檢測，并利用尿液中肌酐含量對結(jié)果進(jìn)行校正，繪制時效曲線(n=3)。

1.3 尿液中芥子氣水解氧化產(chǎn)物與谷胱甘肽加合物的β裂解產(chǎn)物檢測

1.3.1 固相萃取采用MCX-HLB兩步固相萃取法。用2 mL甲醇和2 mL水活化MCX柱，取500 μL尿樣與100 μL混合內(nèi)標(biāo)上樣，收集流穿液，以2 mL甲醇洗脫，將流穿液與洗脫液合并后濃縮至干，以0.5 mL乙酸銨水溶液(1 mol/L)復(fù)溶，待HLB處理。用2 mL甲醇和2 mL乙酸銨水溶液(1 mol/L)活化HLB柱，取0.5 mL復(fù)溶樣品上樣，0.5 mL乙酸銨水溶液(1 mol/L)淋洗，1 mL甲醇洗脫，洗脫液濃縮至干，以100 μL甲醇水溶液(5%)復(fù)溶，待儀器檢測。

1.3.2 儀器條件液相色譜條件：Waters HSS T3色譜柱(100 mm×2.1 mm，1.8 μm)；流動相：A相為含10 mmol/L 甲酸銨和0.1%甲酸的水溶液，B相為甲醇；流速為0.25 mL/min；柱溫為40 ℃；進(jìn)樣量為10 μL。梯度洗脫條件：0～2 min，2%B；2～7 min，2%～95%B；7～7.1 min，95%～2%B；7.1～12 min，2%B。

質(zhì)譜條件：卷簾氣為20 psi(約為1.38×105Pa)，碰撞氣為9 psi(約為0.62×105Pa)，電噴霧電壓為1 500 V，源溫為550 ℃，離子源氣體1和2均為55 psi(約為3.79×105Pa)，解簇電壓為50 V，入口電壓為10 V，碰撞室入口電壓為16 V；定量離子對與對應(yīng)碰撞電壓如圖3所示。

1.3.3 方法學(xué)考察取人空白尿液作為基質(zhì)(n=12)，采用逐級稀釋法配制質(zhì)量濃度分別為0.05、0.1、0.2、0.5、1、5、10、20、50、100、200 ng/mL(SMO與MSMTESE為0.005、0.01、0.02、0.05、0.1、0.5、1、2、5、10、20 ng/mL)的7個代謝物混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，測定其檢出限(S/N>5)、定量下限(S/N>10)與線性范圍，并繪制線性曲線。設(shè)置定量下限、低濃度質(zhì)控樣品(LQC)、中濃度質(zhì)控樣品(MQC)和高濃度質(zhì)控樣品(HQC)，按照“1.3.1”和“1.3.2”考察方法的準(zhǔn)確度、精密度、回收率與基質(zhì)效應(yīng)。按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將目標(biāo)物分為兩類并分別設(shè)置內(nèi)標(biāo)：TDG、TDGO、SMO的內(nèi)標(biāo)為D8-TDG，SBMTE、MSMTESE、SBMSE、SBSNAE的內(nèi)標(biāo)為SBESE。

2 結(jié)果與討論

2.1 尿液中芥子氣游離代謝產(chǎn)物的SPE凈化富集

目前，對于芥子氣游離代謝產(chǎn)物(水解氧化產(chǎn)物與GSH加合后經(jīng)β裂解酶或乙酰轉(zhuǎn)移酶作用的水解產(chǎn)物)多采用HLB固相萃取柱進(jìn)行凈化與富集[22]。然而尿液成分復(fù)雜，較高極性化合物極易受基質(zhì)干擾、影響質(zhì)譜響應(yīng)，因此本研究對固相萃取方式進(jìn)行優(yōu)化，增加陽離子交換(MCX)凈化步驟，從而有效去除尿液基質(zhì)中無機(jī)鹽陽離子與堿性化合物等干擾。

考察了MCX固相萃取各步驟中7種代謝物的回收率。由于代謝物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)各異，在固相萃取柱上存在不同的保留行為，如SMO、SBMTE、MSMTESE與MCX填料結(jié)合力較弱，不易保留，較易洗脫(圖2A)。為全部獲取不同極性代謝物，在MCX-SPE環(huán)節(jié)設(shè)置了合并收集上樣流穿液與洗脫液的步驟。隨后考察了MCX-HLB SPE的凈化效果(圖2B)，對于TDG等高極性代謝物，增加MCX凈化步驟后，質(zhì)譜響應(yīng)可提高64倍。因此，建立的兩步固相萃取法可有效降低尿液基質(zhì)干擾，顯著提高分析物的質(zhì)譜響應(yīng)，同時實(shí)現(xiàn)分析物的高效凈化富集。

2.2 方法學(xué)考察

依據(jù)美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)[23]、2020年版《中國藥典》[24]中生物樣品定量分析方法驗(yàn)證指導(dǎo)原則，按照“1.3.3”進(jìn)行方法學(xué)考察，所有指標(biāo)均滿足生物樣本分析的方法學(xué)要求。

芥子氣7個游離代謝產(chǎn)物的UPLC-MS/MS色譜圖見圖3。7種代謝物的檢出限(LOD)和定量下限(LOQ)分別為5 pg/mL～1 ng/mL與10 pg/mL～5 ng/mL；分別以7種代謝物的質(zhì)量濃度(ng/mL)為x軸，以代謝物與內(nèi)標(biāo)的峰面積比值為y軸，擬合線性曲線，得到線性范圍為LOQ～200 ng/mL(SMO、MSMTESE為LOQ～20 ng/mL)；相關(guān)系數(shù)(r2)為0.992 1～0.999 1(表1)。

圖3 芥子氣7個游離代謝產(chǎn)物的UPLC-MS/MS(MRM)色譜圖Fig.3 UPLC-MS/MS spectra of seven free metabolites in vivo after SM exposure in MRM modeTDG：100 ng/mL；TDGO,SBMTE,SBMSE and SBSNAE：20 ng/mL；SMO and MSMTESE：2 ng/mL；D8-TDG：300 ng/mL；SBESE：50 ng/mL

表1 方法的檢出限、定量下限與線性關(guān)系(n=3)Table 1 LODs,LOQs and linearity of the method(n=3)

按照LOQ、LQC、MQC與HQC的質(zhì)控濃度考察方法批內(nèi)(n=3)、批間(d=3，n=3)的準(zhǔn)確度與精密度(分別以回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差表示)。7種代謝物的回收率為86.2%～106%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為3.0%～18%(表2)。

7種代謝物的性質(zhì)不同，回收率與基質(zhì)效應(yīng)均存在差異。其中TDG的回收率最低，約為72.0%～79.8%；其它代謝物的回收率為80.1%～117%。經(jīng)過兩步固相萃取凈化后，7種代謝物的基質(zhì)效應(yīng)為85.3%～117%，基質(zhì)干擾顯著降低(表2)。

表2 方法的準(zhǔn)確度、精密度、回收率與基質(zhì)效應(yīng)(n=3)Table 2 Accuracy,inter-day,intra-day precisions,recoveries and matrix effects of the method(n=3)

2.3 案例應(yīng)用

2.3.1 水解產(chǎn)物的含量測定目前普遍認(rèn)為，芥子氣水解產(chǎn)物TDG與TDGO在生物體內(nèi)均存在一定本底值，分別為0～1 ng/mL(TDG本底值低于本方法檢出限)、2～8 ng/mL[25-26]，僅在其含量顯著高于本底值(具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異)時，方可指證芥子氣暴露。SMO是芥子氣的氧化產(chǎn)物，在血液與肝臟組織中含量較高，尿液中含量較低，以往尚無SMO作為芥子氣暴露的尿液生物標(biāo)記物的報道；但SMO具有芥子氣特征結(jié)構(gòu)、不存在體內(nèi)本底，同時檢測方法簡便、靈敏。表明較之TDG與TDGO，尿液中的SMO是一種良好的芥子氣暴露生物標(biāo)記物。

表3結(jié)果顯示，中毒患者尿液中檢出3種水解氧化產(chǎn)物。其中TDG僅在暴露后3、4、7 d檢出，結(jié)果低于方法定量下限，無法準(zhǔn)確定量；TDGO的含量顯著高于本底值，在暴露后4 d達(dá)到峰值，隨后迅速降低，第7 d仍可檢出；SMO的含量較低(<0.1 ng/mL尿液)，其含量變化趨勢與TDGO類似(圖4A)。值得注意的是，TDG與TDGO在暴露第5 d含量顯著降低，而SMO的含量仍較高，提示TDGO可能由SM水解為TDG后再氧化產(chǎn)生，而不是先氧化為SMO再水解產(chǎn)生。

表3 中毒患者住院5 d內(nèi)尿液中3類11種生物標(biāo)記物的質(zhì)量濃度(ng/mL)Table 3 Concentrations of hydrolysis/oxidation products and β-lyase metabolites of sulfur mustard in urine samples of exposed patient in 5 days(ng/mL)

2.3.2 谷胱甘肽加合物-β裂解產(chǎn)物的含量測定與SMO類似，谷胱甘肽加合物-β裂解產(chǎn)物具有芥子氣特征結(jié)構(gòu)，常用作芥子氣暴露生物標(biāo)記物，主要樣品為血漿與尿液，檢測方法包括利用LC-MS法[22]，或?qū)⑺挟a(chǎn)物還原為SBMTE后利用GC-MS分析[11]。

表3結(jié)果顯示 ，該中毒患者尿液中7 d內(nèi)均可檢出SBMSE、MSMTESE、SBSNAE，未檢出SBMTE。SBMSE的含量最高，暴露后4 d達(dá)到峰值；SBSNAE的含量稍低，暴露后5 d達(dá)到峰值；MSMTESE的含量與SBSNAE相當(dāng)，但其在暴露后5 d含量低于定量下限，無法準(zhǔn)確定量(圖4A)。

2.3.3 尿液中7種游離代謝產(chǎn)物的含量關(guān)系分析根據(jù)課題組前期工作，芥子氣暴露后尿液中上述7種游離代謝產(chǎn)物約在第3 d達(dá)到峰值，7 d內(nèi)>90%的代謝物會經(jīng)尿液排出體外[21]。本研究采集患者中毒后3～7 d的尿液，可較好反映體內(nèi)的完整代謝過程。

根據(jù)采集尿液的總體積與檢測濃度，計(jì)算各代謝物在3～7 d內(nèi)的累積排出量及其含量的相對比例關(guān)系。SBMSE的累積排出量最高，占60.2%；TDGO的含量稍低，占23.4%；SBSNAE與MSMTESE分別占3.7%與1.5%；SMO的含量最低，僅占0.4%(圖4B，表4)。

2.3.4 尿液中芥子氣暴露后游離堿基加合物的含量分析DNA烷基化損傷是芥子氣的毒性始發(fā)機(jī)制與物質(zhì)基礎(chǔ)，因此其DNA加合物可作為芥子氣內(nèi)暴露的效應(yīng)標(biāo)記物，指示機(jī)體中毒情況；其中絕大部分加合物可經(jīng)DNA修復(fù)機(jī)制作用被切除，并以堿基加合物形式隨尿液排出。本課題組前期已建立尿液中同時檢測4種游離堿基加合物的同位素稀釋-UPLC-MS/MS法，檢出限可達(dá)0.002～0.01 ng/mL[14]。利用該方法對中毒患者尿液樣本進(jìn)行分析，可定量評價其中毒損傷程度。

表3和圖4C結(jié)果顯示，中毒患者尿液中4種SM-DNA加合物均可檢出，暴露后3 d含量最高，隨后總體呈降低趨勢。4種SM-DNA加合物的含量關(guān)系為N7-HETEG>Bis-G>N3-HETEA>O6-HETEG，N7-HETEG的含量約占總加合物量的63.5%，Bis-G約占31.8%，N3-HETEA約占4.3%，而O6-HETEG的含量最低，僅約占0.5%(圖4D，表4)。

表4 中毒患者住院5 d內(nèi)尿液中3類生物標(biāo)記物的累積量及其比例關(guān)系Table 4 Cumulant of three kinds of biomarkers in urine of exposed patient in 5 days and their proportional relationship

圖4 中毒患者住院后尿液中3類生物標(biāo)記物含量隨時間的變化趨勢(經(jīng)肌酐校正后結(jié)果)Fig.4 Time-dependent profiles of three kinds of biomarkers in urine samples from exposed patient(results after creatinine correction)A:metabolites(hydrolysis/oxidation products TDGO,SMO and GSH-β-lyase metabolites SBMSE,MSMTESE and SBSNAE);B:cumulative content of free metabolites in 5 days;C:four sulfur mustard-DNA adducts;D:cumulative content of four SM-base adducts in 5 days

4種SM-DNA加合物中，O6-HETEG可直接破壞配對堿基間的氫鍵，常視作芥子氣的效應(yīng)標(biāo)記物；然而O6-HETEG的含量較低，常在定量下限附近，易導(dǎo)致結(jié)果偏差。同時，Bis-G作為一種雙交聯(lián)加合物，可直接使DNA分子產(chǎn)生鏈內(nèi)或鏈間交聯(lián)，影響DNA正常復(fù)制導(dǎo)致?lián)p傷[12]；且Bis-G含量較高，更適宜作為指示毒劑內(nèi)暴露情況的效應(yīng)標(biāo)記物。

3 結(jié) 論

本研究首先建立了芥子氣中毒患者尿液中7種游離代謝產(chǎn)物的UPLC-MS/MS同時定量新方法，檢出限為5 pg/mL～1 ng/mL，方法學(xué)考察指標(biāo)均滿足生物樣本分析的要求；基于不同功能的填料構(gòu)建兩步固相萃取法，顯著降低了尿液基質(zhì)干擾并實(shí)現(xiàn)較高回收率；結(jié)合前期建立的4種游離堿基加合物的同位素稀釋UPLC-MS/MS定量方法，應(yīng)用于1名疑似芥子氣中毒人員尿液樣本中不同類型、不同功能生物標(biāo)記物譜的篩查分析，確證其暴露毒劑種類。

針對中毒患者尿液實(shí)現(xiàn)了3類10種芥子氣生物標(biāo)記物的檢出，包括本研究首次檢測的SMO，可確切指證患者為芥子氣中毒。根據(jù)時效關(guān)系曲線，標(biāo)記物在3～4 d達(dá)到峰值(TDG除外)，7 d仍可檢出；GSH-β裂解產(chǎn)物的含量相對較高(最高值為11.2 ng/mL)，水解氧化產(chǎn)物其次(最高值為3.70 ng/mL)，SM-DNA加合物最低(最高值為0.312 ng/mL)；因此GSH-β裂解產(chǎn)物是一類較好的芥子氣暴露生物標(biāo)記物。基于課題組前期工作[14]，人體尿液中 DNA加合物可檢測至暴露后30 d，也是芥子氣暴露后臨床診斷重要的長期生物標(biāo)記物。以上游離代謝產(chǎn)物與DNA堿基加合物構(gòu)成了尿液中可能賦存的芥子氣主要生物標(biāo)記物譜，可為臨床早期診斷與預(yù)后評估提供合理的檢測指標(biāo)。