有毒外源化學(xué)物在肺部的代謝及其毒性作用研究進(jìn)展

鄧?yán)t，胡建安

（中南大學(xué)湘雅公共衛(wèi)生學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410078）

人們?cè)谏a(chǎn)生活環(huán)境中接觸有毒的外源化學(xué)物進(jìn)入人體后，絕大多數(shù)需要經(jīng)過體內(nèi)代謝轉(zhuǎn)化后才能產(chǎn)生器官、細(xì)胞、亞細(xì)胞以及分子水平的效應(yīng)，從而導(dǎo)致相應(yīng)的結(jié)構(gòu)異常及功能障礙，引起機(jī)體損傷或疾病。因此，有毒外源化學(xué)物的體內(nèi)代謝與毒性作用關(guān)系一直是毒理學(xué)研究的重要內(nèi)容。特定的外源化學(xué)物導(dǎo)致特定器官的損傷提示，這種對(duì)特定器官具有較強(qiáng)的親和性，可能與其代謝酶及其活性有關(guān)。許多外源化學(xué)物經(jīng)代謝活化生成的中間體大多不穩(wěn)定，不能轉(zhuǎn)移到其他器官或組織發(fā)揮作用。因此，外源化學(xué)物的原位代謝對(duì)靶器官的毒效應(yīng)受到關(guān)注。

肺與外環(huán)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(xué)物最主要的途徑之一。各種氣體和氣溶膠以吸入的方式進(jìn)入肺部，其他途徑進(jìn)入血液的外源化學(xué)物也可經(jīng)肺毛細(xì)血管網(wǎng)到達(dá)肺部，這使得肺成為人體接觸職業(yè)和環(huán)境化學(xué)物最重要臟器和毒作用靶器官。支氣管、細(xì)支氣管和肺泡壁內(nèi)含豐富的生物酶類，是肺內(nèi)代謝各類外源性化學(xué)物并產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)的主要部位。本文將從多類外源化學(xué)物經(jīng)酶催化下在肺部原位代謝過程、活化代謝產(chǎn)物和生物學(xué)效應(yīng)等方面進(jìn)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(chǎn)生的高毒性產(chǎn)物，其中黃曲霉毒素B1（AFB1）對(duì)哺乳動(dòng)物毒性最大，被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)（Inter?national Agency for Research on Cancer，IARC）歸為Ⅰ類致癌物，致癌作用很強(qiáng)。流行病學(xué)數(shù)據(jù)提示，肺部暴露于AFB1與肺癌的發(fā)生相關(guān)。表達(dá)細(xì)胞色素P450（cytochrome P450，CYP450）的人支氣管上皮（human bronchial epithelium，HBE）細(xì)胞可將低濃度AFB1活化為AFB1-8，9-環(huán)氧化物（AFB1-8，9-epoxide，AFBO），AFBO可與DNA、RNA和蛋白質(zhì)等大分子結(jié)合形成加合物，引起DNA損傷、細(xì)胞凋亡，甚至導(dǎo)致基因突變，引起癌癥發(fā)生［1］。在經(jīng)AFB1處理的小鼠肺細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)DNA損傷標(biāo)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(fù)活動(dòng)增強(qiáng)、堿基切除修復(fù)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(duì) 于 不 表達(dá)CYP450的人支氣管上皮并不產(chǎn)生毒性作用。表達(dá)CYP1A2的HBE細(xì)胞對(duì)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(dá)CYP3A4的HBE細(xì)胞的100倍［3］。但CYP1A2主要存在于人肝細(xì)胞中，在HBE細(xì)胞內(nèi)表達(dá)甚微；而CYP2A13則主要表達(dá)在人肺細(xì)胞中，表達(dá)CYP2A13的HBE細(xì)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(biāo)志物γH2AX［4］。另有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，CYP2A13 可將 AFB1代謝為終致癌物AFBO，其活化能力高于傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)酶CYP1A2，是AFB1在肺組織中原位代謝的關(guān)鍵酶之一［5］。除CYP450，人肺泡巨噬細(xì)胞中表達(dá)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(xì)胞毒性作用，AFB1還可導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生表觀遺傳學(xué)改變。人肺細(xì)胞系L-132中蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶5（protein arginine methyltransferase 5，PRMT5）隨AFB1染毒劑量和染毒時(shí)間的增加而增加，這可能是AFB1重要的致癌機(jī)制之一［7］。另外，用AFB1處理穩(wěn)定表達(dá)CYP2A13的HBE細(xì)胞導(dǎo)致微小RNA-138-1＊（microRNA-138-1＊，miR-138-1＊）的下調(diào)，并發(fā)現(xiàn)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(hào) 通 路 在AFB1誘導(dǎo)的HBE細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化中起到抑制作用［8］。AFB1的解毒主要依靠谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶（glutathione S-transferase，GST）與AFBO的共價(jià)結(jié)合，雖人肺細(xì)胞對(duì)AFB1的代謝能力不及肝細(xì)胞，但由于解毒酶GST的缺乏，且AFB1可誘導(dǎo)人肺細(xì)胞中CYP450的產(chǎn)生，可增加人群暴露時(shí)患肺癌的風(fēng)險(xiǎn)。

2 碳鏈類化合物

2.1 丙烯腈

呼吸道吸入是作業(yè)工人職業(yè)接觸丙烯腈（acry?lonitrile，ACN）的主要途徑，職業(yè)接觸ACN工人患肺癌風(fēng)險(xiǎn)增加［9］，屬2B類致癌物。ACN在體內(nèi)主要是由CYP2E1代謝為能與蛋白質(zhì)和DNA結(jié)合的活性產(chǎn)物2-氰基環(huán)氧乙烷（2-cyanoethylene oxide，CEO）來發(fā)揮其致癌和致突變作用［10］。ACN不僅可引起細(xì)胞抑制和氧化應(yīng)激，損傷細(xì)胞的DNA修復(fù)能力，還可導(dǎo)致雌性小鼠肺泡/細(xì)支氣管腺瘤或癌的發(fā)生率增加［11］。另外，人肺細(xì)胞LOX也可催化ACN代謝為CEO［12］。ACN具有較強(qiáng)的遺傳毒性作用，可導(dǎo)致HBE細(xì)胞姐妹染色單體和DNA斷裂［13］。這些研究結(jié)果為流行病研究提供了可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2.2 1，3-丁二烯

1，3-丁二烯（1，3-butadiene，BD）是一種重要的有機(jī)化工原料，屬Ⅰ類致癌物。BD可在肺Ⅰ型細(xì)胞、肺Ⅱ型細(xì)胞和克拉拉細(xì)胞原位代謝產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)［14］。BD在肺部的代謝主要是由CYP2E1/2A6介導(dǎo)，其代謝產(chǎn)物有：1，2-環(huán)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(huán)氧-1，2-丁烯二醇（3，4-epoxy-1，2-butenediol，EBO）等，這是DB產(chǎn)生遺傳毒性和致癌性的基礎(chǔ)［14］。BD在肺部致癌機(jī)制可能涉及原位代謝活化、DNA損傷、表觀遺傳學(xué)改變和基因突變。BD可導(dǎo)致小鼠肺組織DNA損傷、基因表達(dá)差異和染色質(zhì)改變［15］。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)在小鼠的肺中檢測(cè)到可與DNA等生物大分子發(fā)生共價(jià)結(jié)合形成N7鳥嘌呤加合物的如EB和DEB等代謝產(chǎn)物［16］。BD的代謝產(chǎn)物丁二烯二環(huán)氧化物（butadiene diepoxide，BDO2）可抑制人胚肺成纖維細(xì)胞（human embryonic lung fibroblasts，HELF）的增殖，使大部分細(xì)胞停留在G1/G2期［17］。在暴露于BD的小鼠肺中檢測(cè)到表觀遺傳學(xué)改變，包括重復(fù)序列的DNA去甲基化和組蛋白-賴氨酸乙?；?8］。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(dǎo)多器官腫瘤的發(fā)生。目前，呼吸道吸入是職業(yè)人群暴露的主要途徑。流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，VCM/PVC行業(yè)工人患肺癌風(fēng)險(xiǎn)增加［20］。高劑量、長(zhǎng)期暴露VCM的27只小鼠中，26只形成肺腫瘤；同時(shí)觀察到末端細(xì)支氣管細(xì)胞（包括纖毛和克拉拉細(xì)胞）的增生和肥大以及炎癥［21］；提示VCM可在肺部代謝產(chǎn)生毒性作用。VCM的代謝是由CYP2E1介導(dǎo)生成氯乙烯環(huán)氧化物，一部分氯乙烯環(huán)氧化物可重排為2-氯乙醛（2-chloroacetalde?hyde，2-CAA）后經(jīng)乙醛脫氫酶 2（acetaldehyde dehydrogenase 2，ALDH2）氧化為氯乙酸，再與GST結(jié)合排出體外［22］。VCM代謝中間產(chǎn)物氯乙烯環(huán)氧化物、2-CAA能與DNA、RNA和蛋白質(zhì)等生物大分子共價(jià)結(jié)合，引起堿基錯(cuò)配和基因突變，進(jìn)而誘發(fā)腫瘤發(fā)生。有研究顯示，大鼠吸入性暴露于VCM可在肺部檢測(cè)到DNA加合物的形成［23］。但目前尚無采用肺上皮細(xì)胞為實(shí)驗(yàn)對(duì)象證實(shí)VCM在肺部的代謝活化過程的研究，需要進(jìn)一步研究加以證實(shí)。

2.4 醛類

醛類是與人類健康密切相關(guān)的一類揮發(fā)性有機(jī)化合物，醛暴露除了導(dǎo)致哮喘、COPD等呼吸道損傷外，還具有誘導(dǎo)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(duì)其致癌機(jī)制知之甚少。流行病學(xué)數(shù)據(jù)顯示，人群甲醛暴露會(huì)增加肺癌的風(fēng)險(xiǎn)［24］。HBE細(xì)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(xì)胞中的甲醛如不能及時(shí)代謝排出，將對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生如降低細(xì)胞活性、抑制細(xì)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(fā)生時(shí)的氣道炎癥，甚至可協(xié)同其他空氣污染物如過敏原發(fā)生作用［25］。將豚鼠暴露于甲醛，發(fā)現(xiàn)豚鼠氣道平滑肌反應(yīng)性增高［26］。有實(shí)驗(yàn)將人支氣管細(xì)胞系Calu-3和16HBE細(xì)胞暴露于高濃度甲醛24 h，發(fā)現(xiàn)細(xì)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(chǎn)生和細(xì)胞凋亡；還發(fā)現(xiàn)Calu-3細(xì)胞暴露于甲醛后，細(xì)胞單層反式上皮電阻呈濃度和時(shí)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(dǎo)16HBE細(xì)胞發(fā)生DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)和DNA單鏈斷裂，還可破壞DNA和抑制DNA修復(fù)［28］。用甲醛處理16HBE細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，全基因甲基化水平降低；DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3a（DNA methyltransferas?es 3a，DNMT3a）和DNMT3b在mRNA和蛋白水平上的表達(dá)下調(diào)，DNMT1和甲基CpG結(jié)合蛋白DNA結(jié)合域蛋白2（methyl-CpG-binding protein DNA-binding domain protein，MBD2）在 mRNA 和蛋白水平上表達(dá)上調(diào)，這些改變可能與其致癌作用有關(guān)［29］。

乙醛可引起與癌癥發(fā)生相關(guān)的細(xì)胞病變多步效應(yīng)。人肺腺癌A549細(xì)胞暴露于乙醛可致與轉(zhuǎn)錄和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、炎癥和應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)的基因表達(dá)差異［30］。乙醛暴露可導(dǎo)致16HBE細(xì)胞中GSH含量和Ca2+濃度持續(xù)升高，還能引起DNA鏈間交聯(lián)和DNA-蛋白交聯(lián)，并顯著降低DNA修復(fù)酶O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的活性，影響DNA損傷修復(fù)作用［31］。此外，丙醛、丁醛和戊醛也具有細(xì)胞毒性，可改變A549細(xì)胞系miRNA的表達(dá)，從而影響miRNA-mRNA相互作用，可能與醛暴露相關(guān)途徑如細(xì)胞因子-細(xì)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(hào)傳導(dǎo)和P53信號(hào)通路等相關(guān)［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(xì)胞實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，NNK可誘導(dǎo)肺部癌前病變和腫瘤的發(fā)生。NNK在體內(nèi)由CYP450代謝為能與DNA反應(yīng)的活化產(chǎn)物，誘導(dǎo)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(chǎn)生甲烷重氮?dú)溲趸锖图谆氐x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(chǎn)生反應(yīng)［33］。目前已確認(rèn)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(duì)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(zhì)［34］。

NNK代謝活化后產(chǎn)生DNA加合物，通過誘導(dǎo)基因突變促進(jìn)癌癥發(fā)生。NNK還能誘導(dǎo)HBE細(xì)胞癌基因的激活和抑癌基因的失活，并下調(diào)DNA錯(cuò)配修復(fù)蛋白的表達(dá)［35］；也可通過與煙堿型乙酰膽 堿 受 體（nicotinic acetylcholine receptors，nAChR）的結(jié)合，激活PI3K/AKT、MAPK/ERK等信號(hào)通路，調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、抑制細(xì)胞凋亡［36］；NNK及其代謝物可對(duì)HBE細(xì)胞產(chǎn)生氧化損傷、免疫抑制作用，增強(qiáng)HBE細(xì)胞的遷移和侵襲［37］。NNK還可與氣道上皮細(xì)胞分泌的血清胰島素樣生長(zhǎng)因子共同作用促進(jìn)癌癥的發(fā)生［38］。這些都與肺癌的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。此外，NNK還可導(dǎo)致表觀遺傳學(xué)改變，如誘導(dǎo)DNMT1的激活和抑癌基因啟動(dòng)子高甲基化［39］，還有NNK處理的實(shí)驗(yàn)小鼠肺組織中長(zhǎng)鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）表達(dá)譜的改變［40］。

2.6 N-亞硝胺

N-亞硝胺是一類重要的環(huán)境致癌物，可誘導(dǎo)多種動(dòng)物癌癥發(fā)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(nèi)是由CYP450介導(dǎo)α-羥基化生成羥基亞硝胺，該物質(zhì)不穩(wěn)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(dǎo)致DNA烷化損傷，這是N-亞硝胺致癌的關(guān)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(dǎo)大鼠、小鼠和樹鼩等多種動(dòng)物發(fā)生肺腫瘤［44-45］。目前對(duì)于N-亞硝胺的研究大多局限于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，是否能外推到人仍需進(jìn)一步研究。

3 芳香族化合物

3.1 多氯聯(lián)苯

多氯聯(lián)苯（polychlorinated biphenyls，PCB）是一類在環(huán)境中廣泛存在的持久性有機(jī)污染物，可在生物體內(nèi)富集引起嚴(yán)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(xué)數(shù)據(jù)顯示［46］，暴露PCB與肺癌的發(fā)生有關(guān)。PCB是一種芳香烴受體（aromatic hydrocarbon receptor，AhR）激動(dòng)劑，其在肺部是由CYP450代謝生成OH-PCB，結(jié)構(gòu)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(gè)鄰位取代的PCB是CYP2B酶的底物［47］。當(dāng)2個(gè)羥基被引入時(shí)，氯代二羥基聯(lián)苯代謝物可被細(xì)胞內(nèi)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(yīng)性中間體（特別是醌類）可與DNA、RNA、蛋白質(zhì)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(nèi)途徑吸入PCB126，發(fā)現(xiàn)肺部有PCB126的蓄積，并且AhR表達(dá)增強(qiáng)［48］。PCB126處理HBE細(xì)胞可引起生長(zhǎng)抑制甚至細(xì)胞凋亡［49］。PCB101可在低濃度時(shí)促進(jìn)HELF的增殖而在高濃度時(shí)產(chǎn)生抑制作用；PCB101也可誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生增加、GSH減少?gòu)亩餌NA損傷、細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化［50］。PCB40與PCB77呈濃度和時(shí)間依賴性抑制HELF的增殖，引起細(xì)胞周期異常，增加凋亡蛋白的表達(dá)，甚至在高劑量下可能引起細(xì)胞致癌作用［51］。

3.2 多環(huán)芳烴類化合物

肺部暴露于多環(huán)芳烴類化合物（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAH）可能引起癌癥相關(guān)基因的突變，從而引起肺癌的發(fā)生。PAH依靠CYP1A1/1B1代謝為二氫-環(huán)氧化物，另外，PAH可活化AhR，誘導(dǎo)包括CYP1A1/1B1以及幾種Ⅱ相代謝酶在內(nèi)的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控［52］。多種PAH可在人肺泡細(xì)胞中誘導(dǎo)CYP1A1/1B1的表達(dá)，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(gè)PAH，可對(duì)HBE細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用、DNA損傷甚至引起細(xì)胞凋亡［54］。用B［a］P及其代謝物處理的HBE細(xì)胞發(fā)現(xiàn)有原癌基因c-myc表達(dá)上調(diào)［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(huán)氧化物，然后通過微粒體環(huán)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(huán)氧化物（7，8-dihydroxybenzo［a］pyrene-9，10-oxide，BPDE）。BPDE可與DNA共價(jià)結(jié)合形成具有遺傳毒性的BPDE-DNA加合物。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CYP450參與BPD的代謝，并且發(fā)現(xiàn)BPD通過Chk1通路而抑制HBE細(xì)胞的增殖［56］。CYP1A1/1B1在B［a］P的代謝過程中起關(guān)鍵作用，B［a］P可引起HBE細(xì)胞中CYP1A1/1B1表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而誘導(dǎo)BPDE-DNA加合物的產(chǎn)生。有研究發(fā)現(xiàn)，B［a］P可誘導(dǎo)16HBE細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)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(yīng)，炎癥因子IL-8可增加CYP1A1/1B1的表達(dá)，從而增強(qiáng)B［a］P的代謝［58］。B［a］P在代謝過程中產(chǎn)生大量的ROS，還能引起大鼠尿中8-OHdG水平升高［59］。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，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(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，這可能是由于不同組織DNA修復(fù)能力差異所引起［59］。

3.3 硝基多環(huán)芳烴

硝基多環(huán)芳烴（nitropolycyclic aromatic hydro?carbons，NPAH）的致癌和致突變作用比相對(duì)應(yīng)的非硝基芳烴強(qiáng)，其本身不具有致癌性，需要代謝活化才能發(fā)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(qiáng)致突變性，可導(dǎo)致微核形成。進(jìn)入細(xì)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(xì)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(zhuǎn)移酶（N，O-acetyltransferases，NAT）和磺基轉(zhuǎn)移酶進(jìn)一步活化，形成能與DNA反應(yīng)的N-乙酰氧基磺酰氧基酯［60-61］。現(xiàn)在已確認(rèn)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?；?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(jié)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(dǎo)DNA加合物的形成。3-NBA和3-ABA能誘導(dǎo)大鼠肺中NQO1和CYP1A1的表達(dá)，從而增強(qiáng)自身的遺傳毒性和致癌作用［63］。3-NBA及其代謝物3-ABA對(duì)A549細(xì)胞系具有遺傳毒性作用，且可導(dǎo)致細(xì)胞中ROS生成增加、Ca2+和胱天蛋白酶活性增加及細(xì)胞增殖抑制等［64］。3-NBA的暴露可激活HBE細(xì)胞P53的轉(zhuǎn)錄而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，還可引起DNA損傷［65］。此外，3-NBA可異構(gòu)化成2-NBA，對(duì)人肺細(xì)胞產(chǎn)生遺傳毒性作用。實(shí)驗(yàn)表明，通過肺吸收3-NBA在大鼠肺中誘導(dǎo)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(guān)性［66］，說明血液中持續(xù)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(biāo)志物，有助于評(píng)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(jù)較少。有研究表明，苯暴露可對(duì)A549細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞毒性作用，這與代謝活化產(chǎn)生與DNA結(jié)合的中間體以及ROS的增加有關(guān)。苯在肺部的代謝可能是由CYP2E1所介導(dǎo)催化為苯酚和氫醌，再由過氧化物酶代謝為苯醌發(fā)揮作用［67］。有研究提示，苯作用于中國(guó)倉(cāng)鼠肺成纖維細(xì)胞（Chinese hamster lung fibroblasts，CHL）可導(dǎo)致 DNA斷裂和 DNA交聯(lián)［68］。4-氨基聯(lián)苯（4-aminobiphenyl，4-ABP）是Ⅰ類致癌物，可在肺部代謝產(chǎn)生DNA加合物［69］。目前普遍接受的觀點(diǎn)是，4-ABP首先由CYP450進(jìn)行N-羥基化，形成N-羥基-ABP，然后經(jīng)NAT1和（或）NAT2等Ⅱ相酶代謝，產(chǎn)生高度不穩(wěn)定的酯代謝物，酯能自發(fā)水解成與多種細(xì)胞大分子（包括DNA）形成共價(jià)加合物的活性中間體［70］。Lin等［71］使用負(fù)離子氣相色譜-質(zhì)譜法在肺部檢測(cè)到4-ABP代謝產(chǎn)物。表達(dá)5-LOX的HBE細(xì)胞也可活化4-ABP導(dǎo)致DNA 損傷。聯(lián)苯胺（benzidine，BZD）和 β-萘胺（beta-naphthylamine，BNA）均是膀胱致癌物。近期有報(bào)道發(fā)現(xiàn)，職業(yè)暴露于BZD/BNA與肺癌的發(fā)病率相關(guān)，目前尚不清楚其致癌機(jī)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?；?，代謝為能與DNA反應(yīng)的活性親電子物質(zhì)［73］。16HBE細(xì)胞內(nèi)的5-LOX可介導(dǎo)BZD協(xié)同氧化生成聯(lián)苯胺二亞胺，對(duì)16HBE細(xì)胞產(chǎn)生DNA損傷［74］。目前這方面研究較少，仍需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)支持以上觀點(diǎn)。

4 無機(jī)化合物類

4.1 砷及其化合物

無機(jī)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(xué)研究發(fā)現(xiàn)，職業(yè)接觸砷會(huì)增加暴露者患肺癌風(fēng)險(xiǎn)［75］。有文獻(xiàn)報(bào)道，砷誘導(dǎo)HBE細(xì)胞發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化［76］。砷暴露可導(dǎo)致人機(jī)體OGG1基因高甲基化以及氧化應(yīng)激水平上升［77］。Meta分析發(fā)現(xiàn)，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(fā)生高度相關(guān)［78］，提示砷致肺癌的機(jī)制可能與砷在肺部的代謝有關(guān)。砷（+3）甲基轉(zhuǎn)移酶〔arsenic（+3）methyl?transferase，AS3MT〕將無機(jī)砷轉(zhuǎn)變?yōu)閱渭谆投谆樵徽J(rèn)為是砷的解毒途徑?，F(xiàn)有文獻(xiàn)將砷的三價(jià)甲基化代謝物認(rèn)為是砷致癌物質(zhì)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(jī)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(jià)甲基砷的遺傳毒性和細(xì)胞毒性比三價(jià)砷更大，能通過誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生細(xì)胞毒性，如氧化損傷、影響細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路等。另外，砷的代謝物三價(jià)砷酸鹽可與維生素硫醇相互作用，影響多種蛋白質(zhì)和酶的功能和活性，五價(jià)砷酸鹽可使線粒體氧化磷酸化解偶聯(lián)［80］。因此，無機(jī)砷在肺部的代謝活化可能是其致肺癌等毒作用發(fā)揮和增強(qiáng)的必要條件。

4.2 鉻及其化合物

在職業(yè)場(chǎng)所和生活環(huán)境中吸入六價(jià)鉻［Cr（Ⅵ）］化合物可引起呼吸系統(tǒng)損傷和癌癥。流行病學(xué)數(shù)據(jù)顯示，Cr（Ⅵ）的暴露與肺癌發(fā)生存在顯著關(guān)聯(lián)［81］。HBE是鉻的靶細(xì)胞。多篇實(shí)驗(yàn)報(bào)道，Cr（Ⅵ）可引起HBE細(xì)胞凋亡，增強(qiáng)細(xì)胞增殖、遷移、侵襲和誘導(dǎo)腫瘤的能力，發(fā)生惡性轉(zhuǎn)變［82］。HBE細(xì)胞的急性Cr（Ⅵ）染毒后，腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、環(huán)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(guān)因子2（nucle?ar factor erythroid-2 related factor 2，Nrf2）的表達(dá)增加，而Cr（Ⅵ）誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS引起炎癥反應(yīng)增強(qiáng)［83］。Cr（Ⅵ）本身并不與DNA反應(yīng)，需經(jīng)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)入細(xì)胞后，被GSH和抗壞血酸等還原劑迅速還原為不穩(wěn)定的Cr（Ⅴ）和Cr（Ⅳ），然后還原為Cr（Ⅲ），并且產(chǎn)生可引起DNA鏈斷裂、堿基修飾、脂質(zhì)過氧化和轉(zhuǎn)錄因子活化的ROS［84］。這些代謝產(chǎn)物具有細(xì)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(lián)Cr（Ⅲ）-DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)是一種穩(wěn)定的絡(luò)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(xì)胞表觀遺傳學(xué)改變，例通過組蛋白乙?；揎椧餒BE細(xì)胞生物素酶的下調(diào)［86］。Cr（Ⅵ）處理還可上調(diào)P16的CpG1，CpG31和CpG32位點(diǎn)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(biāo)志物［87］。

5 展望

肺是吸入性外源化學(xué)物最為重要的靶器官，在外源化學(xué)物進(jìn)入肺部經(jīng)生物酶進(jìn)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(xué)物可引起炎癥、癌變等器質(zhì)性損傷；在細(xì)胞水平上，各種活化的外源化學(xué)物對(duì)肺細(xì)胞具有不同程度的毒性作用，如抑制細(xì)胞增殖、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡、促進(jìn)細(xì)胞轉(zhuǎn)化等；在分子水平上，外源化學(xué)物可改變細(xì)胞膜的通透性，引起細(xì)胞鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)，影響細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，活化的外源化學(xué)物與細(xì)胞內(nèi)大分子如DNA、RNA和蛋白質(zhì)等共價(jià)結(jié)合，以及生成自由基引起氧化損傷。肺部細(xì)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(jī)類等化學(xué)物都能在肺部進(jìn)行代謝活化，但由于各類代謝酶在肺部各類細(xì)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(xué)物對(duì)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(xué)物肺部代謝的研究具有重要意義和價(jià)值。然而，現(xiàn)在大部分肺部代謝的研究都是使用體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)（表1），這不能完全解釋體內(nèi)代謝過程，應(yīng)盡量進(jìn)行動(dòng)物模擬實(shí)驗(yàn)和體外組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)以取得更多更可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1外源化學(xué)物在肺部的代謝及其毒性作用

續(xù)表1