慢性砷暴露与砷毒性的研究新进展

曹 立(综述)，郭小娟(审校)

(内蒙古医科大学网络信息中心，呼和浩特 010110)

砷是一种类金属环境毒物，广泛地分布存在于自然界。长期慢性的砷暴露会引发各种人类健康效应。最新研究证实，无机砷的摄入可增加心血管系统(高血压、贫血、血小板减少症等)、呼吸系统(慢性咳嗽、慢性支气管炎)、胃肠系统、生殖系统(自发性流产、分娩及围生期病死率)、外周血管、脑血管病变、周围神经病变、2型糖尿病及内脏肿瘤(肺癌、肾癌、膀胱癌、结肠癌)等的患病风险[1]。其中皮肤病损是最常见的表现之一[2]。对于砷暴露的预防及防治有十分重要的意义。

1 砷暴露的标志物

传统观念认为，尿砷、发砷和指砷可作为砷暴露的生物标志物，反映机体内砷含量的高低。王大朋等[3]认为，唾液砷与砷暴露浓度有明显的正相关关系，呈剂量-反应关系，且与血液砷、尿砷、发砷和指砷也有良好的正相关关系，有望作为一种新的砷暴露标志物。邓国栋等[4]研究发现，砷能改变人卟啉排泄的组成，抑制血红素生物合成，砷暴露组卟啉浓度表现为增加，且与尿砷水平呈正相关，认为卟啉有可能作为慢性砷暴露的早期健康效应标志物。

2 砷的代谢形式

砷为变价元素，在水环境中主要以亚砷酸盐、砷酸盐、一甲基砷酸和二甲基砷酸四种形式存在[5]。砷进入人体后，在酶参与的一系列反应下进行生物转化，最常见的是甲基化过程[6-7]。甲基化主要发生肝脏中，在肾脏、肺脏和胰腺中也有少量进行，产生一甲基砷酸和二甲基砷酸等，通常以三价和五价的氧化状态存在[8-9]。Styblo等[10]研究指出，机体中三价无机砷较五价无机砷容易被甲基化，且推测机体中无机砷，由五价砷还原为三价砷的步骤可能为砷甲基化代谢的限速步骤。当然，也有学者持保留意见。Hayakawa等[9]提出五价一甲基砷酸并不是砷甲基化代谢的一个必需中间产物，无机砷转化为甲基砷的代谢并不是三价无机砷和一甲基亚砷酸之间的氧化甲基化。Jomova等[11]发现，三价砷化合物通过简单扩散进入细胞内，五价砷化合物进入细胞的方式则是耗能的主动运输过程。国内外学者普遍认为，三价砷化物具有更强的毒性效应及致癌效应，也有研究显示，五价二甲基砷酸是肿瘤促进剂和致癌剂[12-13]。

最近新提出的砷代谢理论认为，机体细胞对三价无机砷摄取能力为五价无机砷的4倍，在细胞内五价无机砷被还原为三价无机砷，进入细胞的砷可分布在细胞核、线粒体、微粒体中，不溶性砷大部分与体内的还原型谷胱甘肽或蛋白质相结合。砷的生物甲基化反应均以砷-谷胱甘肽复合物或砷蛋白质复合物为底物，最后形成一甲基砷酸和二甲基砷酸两种代谢产物[10，14-15]。且谷胱甘肽w-1是经典砷代谢通路的限速酶[16]。Naranmandura等[17]在野生型小鼠的研究中发现，砷的甲基化代谢产物除了甲基氧砷外，甲基硫代砷是另一种重要的代谢产物。甲基硫代砷是将氧砷中的O转换为S而形成的，即氧砷是硫代砷的转化中间产物，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细胞毒性和遗传毒性更强[21-22]。但在人群中尚无此方面的报道。

3 砷的浓度效应

大量流行病学和实验室数据均表明，高剂量的砷剂危害人类健康。最新研究发现，低剂量砷却发挥不同的健康效应。Udensi等[2]在对人皮肤角质细胞系的HaCaT细胞进行实验时发现，低剂量三氧化二砷促进HaCaT角化细胞增生，调节细胞周期相关基因的表达，高剂量(>7.5×10-6)则抑制其生长；浓度不同对端粒的影响也不同，低浓度(≤1.0×10-6)可延长端粒酶的长度，高剂量则减短其长度，诱导细胞死亡。Zhong等[23]在人胆管上皮癌细胞的研究中发现，在允许浓度范围内，三氧化二砷可抑制胆管上皮癌细胞的生长，诱导细胞凋亡，该作用可能由线粒体膜介导，但具体机制不明。Meliker 等[24]在砷暴露与人类膀胱癌关系的研究中也证实，砷暴露与人类膀胱癌有关，但10～100 μg/L范围内的相关关系不明确，有待进一步研究。Wu 等[25]在对恶性神经胶质瘤患者离体的肿瘤细胞进行试管实验时证实，低浓度三氧化二砷同样可抑制胶质瘤干细胞增生，诱导其死亡。动物实验表明，给予大白鼠饲以含砷0.5 mg/kg的饲料，可使肝醛缩酶、乳酸脱氢酶、葡萄糖-6-磷酸酶脱氢酶以及乳酸和血糖下降，而含砷为10 mg/kg量则使这些酶活性上升[14]。

对于砷浓度的健康效应目前尚无统一公认的标准，1993年世界卫生组织建议的浓度标准(无机砷浓度)为10 μg/L[26]。准确而有效的数据有待进一步研究确定。

4 砷毒性的可能机制

4.1氧化损伤 砷可通过扰乱机体的氧化/抗氧化平衡系统，产出过多的活性氧类和一氧化氮，同时消耗超氧化物歧化酶、谷胱甘肽氧化酶等抗氧化酶及对含巯基抗氧化酶的抑制，导致机体氧化和抗氧化系统失衡，造成DNA和线粒体的氧化损伤，进而影响机体健康[27-29]。

4.2促进凋亡 三氧化二砷可影响Bcl-2家族蛋白的表达，诱导线粒体释放细胞色素C，激活caspase家族的相关蛋白，导致细胞凋亡，提示三价砷剂可能通过该途径影响人类的健康[23]。

4.3干扰DNA修复 有学者发现，核苷酸切除修复着色性干皮病D组基因Asp312Asn和Lys751Gln变异型与砷引起的皮肤癌呈负相关，砷中毒患者不同病变皮肤组织中DNA修复基因、辐射损伤修复基因和错配修复基因的表达下降，表明砷可干扰DNA的修复[30]。砷诱导DNA-蛋白交联在蛋白激酶的作用下转变为双链断裂。三价无机砷能抑制DNA中胸腺嘧啶二聚体的剪切，因此也能抑制程序外DNA合成[14]。

4.4调节基因表达 真核生物染色体DNA甲基化是基因表达调控的一种重要方式，DNA异常甲基化可引起染色体结构、DNA构型、DNA稳定性及蛋白质相互作用方式的改变，调节基因的表达。砷化物可引发原癌基因低甲基化，抑癌基因的高甲基化，诱导其异常表达，产生癌变[32-37 ]。

佟红艳等[31]在研究三氧化二砷对人骨髓增生细胞株p15NK4b基因表达时发现，加入三氧化二砷后，除DNA甲基转移酶1 mRNA表达无影响外，DNA甲基转移酶3a和DNA甲基转移酶3b mRNA表达水平均下降。Chanda等[32]研究结果表明，砷能改变p53和p16基因的甲基化水平。砷暴露下，p53基因发生了明显的高甲基化且呈现剂量依赖性反应。卢光明等[33]研究证实，p16基因5′-端 CPG高甲基化是其表达下调的重要机制之一。在腺癌和重度增生的癌前阶段可经常检测到p16基因甲基化，说明它可能是致癌过程的早期改变。在砷中毒的皮肤癌患者中Bcl-2及突变型p53蛋白表达也均高于非癌变组。Ali等[34]发现,砷暴露还会对Y染色体产生影响，如重组、单核苷酸突变、重复序列重组等。

Wang等[35]在对小鼠内皮细胞进行实验时发现，三氧化二砷可显著提高血红素氧合酶1、白细胞介素6、单核细胞趋化因子1及血管内皮生长因子等的mRNA表达水平。砷暴露同样可增加核转录因子红系相关因子2及核因子κB因子的表达。实验结果显示，血红素氧合酶1的表达由核转录因子红系相关因子2、核因子κB及丝裂原活化蛋白激酶信号通路介导，血红素氧合酶1对血管内皮生长因子发挥主要的上调作用，白细胞介素6的表达则由核因子κB介导。氧化应激可能与砷的细胞毒性有关，同时调节细胞内相关基因的表达，但信号转导调控活性氧类的直接效应。

目前，有学者假设，砷可能阻碍内分泌物质的功能，影响类固醇激素受体介导的信号通路，从而导致疾病的发生[36-37，11]。也有研究显示，砷可抑制体内多种酶的活性，Jomova等[11]证实，三价无机砷化物可抑制细胞内的丙酮酸脱氢酶、乙酰辅酶A等，影响细胞的三羧酸循环过程及谷胱甘肽的生物合成，进而造成对机体的损害作用。以上均是对砷毒性可能机制的探讨，对其毒理作用的具体机制仍悬而未解，有待进一步研究探讨。

5 展 望

目前，对于砷暴露与砷毒性的研究报道多来自于流行病学的调查研究，尚缺乏明确可靠的动物实验模型，且砷的剂量对各个内脏器官的影响可能存在不同的浓度效应问题，还需深入研究。随着分子生物学和遗传学的不断发展，有研究显示，砷与基因修饰之间可能存在相互作用，且具有遗传效应，尤其对基因甲基化的影响作用已引起学者的高度重视，但研究进展仍较艰难，机制不明确。在未来的研究中，应更加关注以下几点：①复制砷中毒的动物模型，观察不同剂量下实验动物各个器官的功能和形态学改变，对可能的致病机制进行假设验证；②更多利用基因芯片技术和分子生物学手段对砷中毒患者的遗传物质进行研究，以发现并明确砷的遗传学机制；③临床研究与实验室研究相结合，进行相互论证。

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