鐘源霞，孫文長

(大連醫(yī)科大學 微生物學教研室，遼寧 大連116044)

1 砷污染簡介

砷污染已成為一種重要的環(huán)境危險因素，許多國家和地區(qū)已有砷污染的報道，如印度、孟加拉、中國、美國、智利、墨西哥等［1-5］。2001年世界衛(wèi)生組織將飲用水允許的砷含量由原先的50 μg/L 降為10 μg/L［6］，全球70 個國家230 多個地區(qū)遭受砷污染，5 000 多萬人口飲用水砷濃度超過50 μg/L，1 億4 000 萬人口飲用水砷濃度超過10 μg/L［7］。我國砷污染問題同樣非常嚴重，560 萬人口飲用水砷含量超過50 μg/L，1 500 萬人口飲用水砷含量超過10 μg/L，僅次于孟加拉和印度［7］。

1.1 砷的來源和暴露途徑

砷在自然界中分布十分廣泛。引起砷污染的主要來源是地質(zhì)中的砷滲入到地下水引起的飲用水污染。砷在工業(yè)中的應用是砷污染的另一個來源。砷化鎵或鋁砷化鎵晶體是半導體元件的材料，在提煉和使用這些晶體過程中會造成工業(yè)污染［8］。砷的硫化物被用作殺蟲劑，造成了環(huán)境污染［9］。目前As2O3廣泛應用于急性早幼粒細胞白血病的治療，某些民族醫(yī)學中也使用含砷藥物，因此藥用砷是砷污染的又一來源［10-11］。

砷的主要暴露途徑是經(jīng)口攝入，如飲用砷污染的水，攝取砷污染的食物。其次是經(jīng)呼吸道吸收，如冶金和化工廠工人吸入空氣中的含砷粉塵。

1.2 砷的代謝

口服攝入砷的吸收主要發(fā)生在小腸。多數(shù)以三價無機砷形式通過簡單擴散方式進入細胞。少數(shù)以五價砷形式進入細胞，隨后還原為三價砷。砷化合物包括無機砷和有機砷，無機砷毒性往往遠高于有機砷。無機砷主要在肝臟中進行生物轉化，少數(shù)在肺和腎臟中進行，最終生成低毒性的五價有機砷，如單甲基化砷酸鹽［monomethylarsonic acid，MMA(V)］和雙甲基化砷酸鹽［dimethylarsinic acid，DMA(V)］，并通過尿液排出體外。通常砷的排出比較迅速，可以在幾天內(nèi)排出體外，也有的在體內(nèi)滯留數(shù)月甚至更長時間［1］。

1.3 砷的致病性

急性砷中毒主要是誤食殺蟲劑及自殺等引起的，主要表現(xiàn)為惡心、嘔吐、腹瀉、腹絞痛等胃腸道癥狀，也可有心肌毒性、腎臟衰竭、呼吸衰竭等表現(xiàn)，嚴重的可導致死亡。慢性砷暴露可以導致機體多器官損傷，造成皮膚、心血管、肝臟、胃腸道、生殖系統(tǒng)及神經(jīng)系統(tǒng)的相關疾病。其中以皮膚角質(zhì)化、色素沉著最為常見。在肝臟可以引起纖維化、甚至肝硬化。兒童的智力和語言能力都受到影響［2，4，12-14］。流行病學調(diào)查顯示飲用高砷水與人類皮膚癌、膀胱癌、肝癌、腎癌和肺癌等的發(fā)病率增加有關［1］。

2 砷的毒性機制

目前研究認為:砷暴露增加體內(nèi)活性氧和活性氮的生成，導致氧化應激。增加的活性氧有過氧自由基(ROO·)，超氧陰離子(O2·–)、單線態(tài)氧(1O2)、羥自由基(·OH)、過氧化氫(H2O2)和二甲基砷自由基［(CH3)2As·］等［1］。氧化應激造成細胞膜和蛋白質(zhì)損傷，表現(xiàn)為脂質(zhì)過氧化和蛋白質(zhì)羰基含量的增加。有研究表明:砷可抑制線粒體呼吸鏈中復合物的活性導致自由基的大量產(chǎn)生［15］。自由基可與DNA 堿基反應，生成8 -羥基-脫氧鳥苷(8 - hydroxydeoxyguanosine)、8 - 氧代- 脫氧鳥苷(8 - Oxo - deoxyguanosine)［1］，造成DNA 的損傷。損傷的DNA 長期積累可引起突變，最終導致腫瘤。

砷還可抑制線粒體丙酮酸脫氫酶的活性，減少細胞內(nèi)乙酰輔酶A 的生成，影響三羧酸循環(huán)，造成細胞內(nèi)ATP 的產(chǎn)生下降。三價砷易與巰基結合，抑制細胞內(nèi)許多含巰基酶和代謝物的活性，尤其抑制抗氧化劑谷胱甘肽的生成。五價砷在體內(nèi)可轉化為三價砷，產(chǎn)生毒性效應。并且由于砷的電子結構和原子半徑與磷類似，其化學性質(zhì)也相似，在體內(nèi)糖酵解和細胞呼吸過程中，五價無機砷替代磷酸鹽參與高能磷酸鍵的形成，使氧化磷酸化解偶聯(lián)，減少ATP的生成［1］。

砷進入體內(nèi)經(jīng)甲基化通過尿液排出體外，目前認為甲基化是砷的解毒機制。但最近研究發(fā)現(xiàn):三價中間體—MMA(III)和DMA(III)具有較高的反應活性和致癌性［1］。

體內(nèi)的抗氧化酶和抗氧化代謝物是機體抵抗氧化應激的第一道和第二道防線。砷誘導的氧化應激顯著降低細胞內(nèi)抗氧化酶的活性，如:超氧物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化氫酶(catalase，CAT)、谷胱甘肽- S - 轉移酶(glutathione - S -transferase，GST)、谷胱甘肽氧化酶(glutathione oxidase，GPx)、谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase，GR)和葡萄糖-6 -磷酸脫氫酶(glucose -6 -phosphate dehydrogenase，G -6 -PD)等，降低抗氧化代謝物水平，如谷胱甘肽(glutathione，GSH)和總硫醇，并增加氧化型谷胱甘肽(glutathione disulfide，GSSG)含量［16］。

3 砷毒性的防治

目前砷毒性的防治主要有螯合劑療法和抗氧化劑療法。

螯合劑療法是應用英國抗路易士藥劑(British anti-lewisite)與砷螯合，降低砷的毒性，加速砷的排出。這主要用于急性砷中毒治療［9，17］。

抗氧化劑可以恢復失衡的氧化還原系統(tǒng)，保護細胞的形態(tài)及活性，降低細胞內(nèi)活性氧的生成等。治療證明有效的抗氧化劑主要有維生素C、維生素E 和?；撬岬取Ｉ楸┞洞笫笸瑫r補充維生素C 或維生素E，可有效降低肝臟和腎臟組織中過氧化物的水平［18］。還可以抑制砷誘導的腫瘤壞死因子- α(tumor necrosis factor -alpha，TNF -α)水平升高及caspase-3 的激活［19］。在慢性砷暴露大鼠中，維生素C 可以降低血清中轉氨酶活性，恢復受損的SOD等抗氧化酶活性［20］。牛磺酸是一種L -半胱氨酸的代謝終產(chǎn)物，在許多組織中大量存在。它可以保護人體許多器官免受各種有毒物質(zhì)造成的毒性和氧化應激損傷。亞砷酸鈉暴露(3 mg/kg，口服，3 周)前5 天補充?；撬?100 mg/kg·d)，可防止砷誘導的大鼠腎功能不全、減少活性氧和一氧化氮的產(chǎn)生、抑制細胞凋亡［16］。還有研究顯示:牛磺酸可以減輕砷誘導的DNA 損傷［21］。硫辛酸是近年來廣受關注的抗氧化劑，廣泛分布于細胞膜，細胞質(zhì)和細胞外空間。硫辛酸一方面可直接清除·OH、次氯酸和1O2，另一方面可使細胞內(nèi)的抗氧化劑再生，如GSH、維生素C 和維生素E 等，在生物系統(tǒng)中發(fā)揮重要的抗氧化作用。此外，硫辛酸既具有水溶性又具有脂溶性，可以跨越血-腦屏障。目前臨床上已將硫辛酸用于糖尿病神經(jīng)損傷的防治［22-23］。Kokilavani等［24］表明:硫辛酸降低砷暴露后肝臟和腎臟中活性氧的產(chǎn)生，降低砷暴露后脂質(zhì)過氧化物水平，提高砷暴露后抗氧化酶和抗氧化代謝物的水平，對砷暴露造成的損傷具有保護作用。

目前慢性砷中毒的治療非常有限，行之有效的方法是提供安全的飲用水及應用抗氧化劑［17］。

4 砷對肝臟損害的實驗研究

肝臟擁有門靜脈和肝動脈兩套血液供應，無論是消化道吸收的化學毒物還是其他途徑進入機體的化學毒物都可經(jīng)血液循環(huán)迅速達到肝臟，負責人體物質(zhì)與能量代謝的同時，也是化學毒物進行生物轉化的主要器官，極易受到化學物質(zhì)的損害［25］。

Ghatak 等［26］的研究顯示，砷暴露12 個月，小鼠肝臟表現(xiàn)出了脂肪變性、纖維化等較為嚴重的病理現(xiàn)象，與人類砷暴露后的肝損害較為類似。

Das 等［27］研究表明:25 mg/L 亞砷酸鈉飲用水暴露6 個月，大鼠可造成明顯的肝細胞變性和血清丙氨酸氨基轉移酶活性的顯著增加。在該模型中，氧化應激的指標:GSH 水平下降，GSSG 和脂質(zhì)過氧化物含量增加，抗氧化酶(CAT、SOD)等活性下降，表明砷誘導肝臟產(chǎn)生氧化損傷。細胞實驗表明:砷暴露降低肝細胞的細胞活性，且有劑量依賴效應。砷暴露的肝細胞表現(xiàn)出線粒體膜電勢降低，線粒體細胞色素c 水平下降，胞漿細胞色素c 增加。同時砷暴露肝細胞還表現(xiàn)出ATP 水平的顯著降低。流式細胞術、DNA 凝膠電泳等方法顯示:砷暴露導致肝細胞的大量凋亡，正常細胞凋亡率幾乎為零，而砷暴露細胞為55.23%。免疫印跡顯示:亞砷酸鈉上調(diào)促凋亡蛋白(Bad、Bax)的表達，下調(diào)抗細胞凋亡蛋白(Bcl-2、BcL -xL)的表達。同時，亞砷酸鈉顯著增加肝臟中PKCδ 的表達，而不影響其他兩個主要的蛋白激酶C 亞型(PKCα 和PKCζ)的表達。應用PKCδ 的抑制劑(rottlerin)預處理肝細胞可減少砷誘導的磷酸化的PKCδ，顯著增加細胞活性。PKCδ 抑制劑的應用也可抑制砷誘導的JNK 的增加，提示PKCδ 在JNK 的上游。實驗還顯示?；撬峥勺钄郟KCδ 的活化，抑制細胞凋亡。總之，該研究提示砷可以直接作用于線粒體;抗氧化劑?；撬峥梢燥@著改善砷的肝毒性作用。Singh 等［28］應用As2O3口服大鼠模型也觀察到砷暴露導致的肝臟損傷，該損傷可通過補充維生素C 得以有效的改善，進一步證實氧化損傷是砷毒性的重要機制。

Nrf2 是一種轉錄因子，在砷誘導的毒性中起保護作用。1 mg/L 亞砷酸鈉飲用水方式暴露6 周的Nrf2 + / + 小鼠表現(xiàn)為肝細胞空泡化變性，而Nrf2 - / -小鼠中則表現(xiàn)為肝臟壞死，并伴隨著巨噬細胞和淋巴細胞浸潤。10 mg/L 和100 mg/L 砷引起Nrf2 + / +小鼠肝臟壞死。然而，相同劑量的砷則引起Nrf2 - / -小鼠更嚴重的壞死和炎性細胞浸潤。這些浸潤的炎性細胞含有嗜酸性粒細胞，而嗜酸性粒細胞的浸潤與脂肪肝和肝纖維化相關［29］。該研究提示砷暴露激活Nrf2 依賴的抗氧化反應，上調(diào)某些抗氧化酶的表達，如GST。但當砷毒性作用過強時，超出機體負荷，則造成明顯的損害。Nrf2 的保護作用在細胞水平上也得到了證實。

5 砷對腎臟損害的實驗研究

腎臟是機體的排泄器官，排出體內(nèi)的代謝廢物，同時調(diào)節(jié)體液、電解質(zhì)及酸堿平衡。代謝廢物或有毒物質(zhì)在腎小球中濾過后又在腎小管重吸收，使毒物濃縮或沉積在腎小管中［25］。

亞砷酸鈉(3 mg/kg)口服作用于Wistar 雄性大鼠3 周可造成腎臟損傷。血液檢測顯示尿素氮和肌酐水平上升;組織學檢查顯示腎臟有多位點出血，壞死和腎小管水腫［16］。砷暴露導致腎組織中活性氧的生成顯著高于正常對照，一氧化氮的產(chǎn)生也有增加。同時砷暴露增加腎臟丙二醛、蛋白質(zhì)羰基等的含量，降低腎臟中抗氧化酶(SOD，CAT，GST，GR，GPX 和G6PD)的活性，提高腎臟中磷酸化p38、磷酸化ERK1/2 及NF -κB(P65)的表達。砷暴露引起的損傷部分依賴細胞線粒體的損傷，降低了大鼠腎臟線粒體膜電勢，提高了胞漿細胞色素c 的濃度。牛磺酸對該腎臟損傷有保護作用［16］。砷還可引起腎臟的DNA 損傷，?；撬岷途S生素C 顯示出保護作用［21］。維生素E、硫辛酸對砷暴露造成的腎臟損傷也具有保護作用［18，24］這些都顯示砷的毒性機理為氧化損傷。

總之，砷暴露可以引起機體多臟器損傷，砷的毒性機理目前認為是砷誘導機體生成氧化損傷。砷中毒的防治主要是應用螯合劑和抗氧化劑。隨著砷損傷機理的進一步研究，新的防治措施會給患者帶來更大的益處。

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