巰基螯合劑治療重金屬中毒研究進(jìn)展

姚 青，楊國(guó)寶，王 皓，郭永學(xué)，楊 陽(yáng)，高春生

（1.沈陽(yáng)藥科大學(xué)制藥工程學(xué)院，遼寧 本溪 117000；2.軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院毒物藥物研究所，北京 100850）

重金屬中毒是一種常發(fā)生于工業(yè)、農(nóng)業(yè)及礦業(yè)活動(dòng)的職業(yè)病，主要由強(qiáng)毒性重金屬如汞、鉛、鉻、砷及鎘等中毒引起。重金屬密度較大，一般均＞4.5 g·cm-3，其進(jìn)入機(jī)體后可競(jìng)爭(zhēng)體內(nèi)特定酶上的巰基，使酶失去催化活性，造成細(xì)胞膜表面轉(zhuǎn)運(yùn)載體功能障礙，也會(huì)使肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白無(wú)法完成肌肉收縮，體內(nèi)細(xì)胞無(wú)法獲得營(yíng)養(yǎng)，進(jìn)而引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)異常和細(xì)胞功能喪失，最終出現(xiàn)中毒癥狀[1]。重金屬中毒救治問(wèn)題一直備受?chē)?guó)內(nèi)外關(guān)注。目前，臨床上常用的解毒劑主要包括二巰丙醇（dimercaptopropanol，BAL）、二巰丁二酸（dimercaptosuccinic acid，DMSA）、二巰丙磺鈉（sodium dimercaptopanesulfonate，DMPS）、青霉胺（penicillamine，DPEN）和硫辛酸（alpha lipoic acid，LA）等巰基螯合劑及依地酸二鈉鈣（disodium-calcium edetate，Na2CaEDTA）和二乙烯三胺五乙酸（diethylenetriaminepentaacetic acid，Na3CaDTPA）等非巰基螯合劑[2]，其中巰基螯合劑是重金屬中毒主要的解毒劑[3]。不同的巰基螯合劑對(duì)不同種類(lèi)重金屬中毒的解毒療效有所不同。本文主要綜述重金屬中毒的主要類(lèi)型、巰基螯合劑的解毒機(jī)制及不同解毒劑的臨床應(yīng)用，并提出聯(lián)合用藥的方式治療重金屬中毒可實(shí)現(xiàn)快速、安全、高效的解毒效果，提高患者用藥順應(yīng)性，為重金屬中毒的臨床治療提供參考。

1 重金屬中毒機(jī)制、臨床表現(xiàn)和解毒劑

1.1 汞中毒

汞主要以金屬汞、無(wú)機(jī)汞和有機(jī)汞3種形式存在。甲基汞親脂性強(qiáng)，極易穿透血腦屏障，引起腦組織汞中毒。汞進(jìn)入血液及人體組織中，可與蛋白質(zhì)及酶系統(tǒng)中的巰基結(jié)合，抑制其功能，甚至使其失活；汞與體內(nèi)蛋白結(jié)合后可由半抗原成為抗原，引起變態(tài)反應(yīng)，出現(xiàn)腎病綜合征；高濃度的汞還可直接引起腎小球免疫損傷[4]。汞中毒患者的臨床癥狀差異較大。急性汞中毒主要表現(xiàn)為發(fā)熱和呼吸困難等癥狀；而慢性汞中毒主要表現(xiàn)為失眠、記憶力衰退及食欲不振等反應(yīng)[5]。目前，臨床上驅(qū)汞治療首選二巰丁二鈉注射液。

1.2 鉛中毒

鉛對(duì)人體無(wú)任何生理功能且有嚴(yán)重危害。鉛暴露對(duì)造血系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、腎及心臟均有影響。一旦被吸收，就會(huì)被血液輸送，與血紅蛋白結(jié)合并抑制其合成，引起貧血；也可直接作用于胃黏膜，破壞其再生能力，出現(xiàn)炎癥性變化[6]。鉛暴露會(huì)影響腎小管上皮細(xì)胞線粒體的功能，抑制酶活性，導(dǎo)致尿肌酐排出減少，血肌酐和血尿素氮含量增加，尿糖排泄增加[7]。鉛中毒主要表現(xiàn)為惡心、腹瀉、血壓升高和昏迷，甚至?xí)邪d癇的發(fā)作。Na2CaEDTA對(duì)鉛中毒具有較好的治療效果。

1.3 鉻中毒

在自然界中，鉻（Ⅱ）和鉻（Ⅲ）對(duì)人體幾乎無(wú)毒，但鉻（Ⅵ）為劇毒，易通過(guò)吸入或食入的方式侵入人體并蓄積，使機(jī)體代謝速度變緩。鉻進(jìn)入紅細(xì)胞后，與血紅蛋白結(jié)合，使血紅蛋白變成高鐵血紅蛋白而失去攜氧能力，對(duì)細(xì)胞造成損害。研究表明，鉻通過(guò)抑制Bcl-2蛋白表達(dá)和增加促凋亡基因表達(dá)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[8]。鉻中毒主要表現(xiàn)為嘔吐、腹部灼燒和血水樣便，嚴(yán)重者出現(xiàn)休克、面色發(fā)紫和呼吸困難等癥狀。對(duì)于鉻中毒，目前最有效的治療手段是注射二巰丁二鈉。

1.4 砷中毒

無(wú)機(jī)砷主要通過(guò)空氣、水和食物等媒介、經(jīng)呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)和皮膚吸收，進(jìn)入血液并隨之進(jìn)入全身各組織器官[9]。砷主要蓄積在肝，當(dāng)含量達(dá)到一定限度時(shí)，就會(huì)引起砷中毒。砷會(huì)誘導(dǎo)脂質(zhì)過(guò)氧化，產(chǎn)生多種自由基和非自由基，引起細(xì)胞功能紊亂，自由基進(jìn)入細(xì)胞核，直接攻擊DNA和RNA，引起DNA突變并致細(xì)胞癌變[10]。砷也可抑制大多數(shù)酶的活性，影響酶的空間構(gòu)型與構(gòu)象，從而使細(xì)胞的呼吸代謝受到抑制。食入性砷中毒急性期會(huì)有惡心、低血壓、溶血、急性腎衰竭等癥狀；而亞急性期會(huì)伴有周邊神經(jīng)炎等癥狀出現(xiàn)。吸入性砷急性中毒常表現(xiàn)為呼吸困難、肺水腫和急性呼吸衰竭；慢性中毒會(huì)引起皮膚角質(zhì)化、皮膚癌、白血病、四肢壞死和肝功能異常等癥狀。目前，砷中毒主要使用特效解毒劑BAL進(jìn)行治療。

1.5 鎘中毒

鎘分布廣泛，毒性持久，多以二價(jià)形式存在，如氧化鎘和硫化鎘等。礦石開(kāi)采及含鎘垃圾的燃燒，使大量的鎘顆粒釋放到大氣中。鎘一旦被吸收，會(huì)迅速?gòu)难悍植嫉饺砀魈帲饳C(jī)體功能紊亂，特別是肝和腎。鎘進(jìn)入組織，與鈣競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合鈣調(diào)素，干擾鈣調(diào)素及其所調(diào)控的生理、生化體系，抑制多種酶的活性[11-12]。鎘在腎蓄積，會(huì)引起腎小球屏障功能損害，腎小管細(xì)胞損害和功能障礙。鎘中毒主要臨床癥狀有嘔吐、腹瀉、咳嗽、急性腎衰竭和骨骼病變；部分患者出現(xiàn)鼻、牙齒異常，骨質(zhì)疏松及休克的并發(fā)癥。目前臨床上常用特效解毒劑Na2CaEDTA治療。

2 巰基螯合劑的解毒機(jī)制

巰基螯合劑是臨床上應(yīng)用最多的重金屬中毒解毒劑。不同的巰基螯合劑所含的巰基數(shù)目與所處位置不同，便表現(xiàn)出不同的性質(zhì)，其與重金屬離子的作用機(jī)制也有所不同。通過(guò)研究不同巰基螯合劑的化學(xué)特征及其與重金屬離子的絡(luò)合反應(yīng)，可探究巰基螯合物的解毒機(jī)制。

2.1 巰基螯合劑的化學(xué)特征

結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)體現(xiàn)用途。質(zhì)子化常數(shù)對(duì)藥物的生物學(xué)特性如溶解性、細(xì)胞穿透性和生物利用度等具有顯著作用，對(duì)所形成螯合物的形態(tài)也具有重要意義。BAL、DMSA、DMPS、DPEN、LA和二氫硫辛酸（dihydrolipoic acid，DHLA）等巰基螯合劑的結(jié)構(gòu)、名稱(chēng)、縮略詞、分子式、相對(duì)分子質(zhì)量和質(zhì)子化常數(shù)等特征見(jiàn)表1，其隨pH的形態(tài)變化如圖1。

表1 巰基螯合劑的化學(xué)特征

圖1 巰基螯合劑在不同pH下的形態(tài)百分比.DDMSA：二甲二巰丁二酸.

由表1可看出，各巰基螯合劑巰基數(shù)目和相對(duì)位置不同，所含羧基、羥基的數(shù)目和相對(duì)位置也有所不同，使得各分子間所產(chǎn)生的范德華力不同。再者，對(duì)于結(jié)構(gòu)相似的有機(jī)分子，相對(duì)分子質(zhì)量越大，范德華力越大。綜合來(lái)說(shuō)，各巰基螯合劑的范德華力有很大差異，導(dǎo)致其質(zhì)子化常數(shù)差異顯著。由圖1可知，巰基螯合劑在不同pH條件下的形態(tài)占比不同，表明在不同pH條件下，其會(huì)先后失去不同類(lèi)別和數(shù)量的質(zhì)子，表現(xiàn)不同的性質(zhì)。

2.2 巰基螯合劑與重金屬離子的絡(luò)合反應(yīng)

各重金屬離子與同一類(lèi)型螯合劑的絡(luò)合反應(yīng)相似，但不同類(lèi)型的螯合劑因其所產(chǎn)生的范德華力不同其絡(luò)合反應(yīng)的相互結(jié)合能力也會(huì)不同。對(duì)于汞配合物，據(jù)Lenz等[13]研究，除Hg-TMA配合物的pM值為8.24外，其他Hg配合物不論分子中巰基數(shù)量多少，其pM值均非常高。然而，對(duì)于其他重金屬配合物，含有2個(gè)巰基配體配合物的pM值均高于只含1個(gè)巰基配體的配合物。

在DMSA與Hg2+絡(luò)合的電位平衡研究中，2個(gè)巰基參與了反應(yīng)。Morales等[14]提出DMSA與Hg2+存在1∶1復(fù)合體。6年后，Avdeef等[15]在此基礎(chǔ)上提出兩者以1∶1比例配合形成的穩(wěn)定配合物結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 DMSA-Hg配合物（1∶1）的結(jié)構(gòu)式.

2004年，George等[16]利用X射線吸收光譜和密度泛函理論研究了Hg2+與DMSA或DMPS的絡(luò)合。二者主要形成1∶1的配合物，也存在部分比例為1∶4形式。與Avdeef等[15]的報(bào)道相反，George等[16]指出，由于DMSA或DMPS分子中2個(gè)硫原子之間的距離不允許S-Hg-S鍵的線性調(diào)節(jié)，1個(gè)螯合劑分子上的2個(gè)巰基不能結(jié)合在共同的Hg上，并提出DMSA或DMPS與Hg2+絡(luò)合的近線性結(jié)構(gòu)（圖3）。

Chekmeneva等[17]采用微分脈沖伏安法（dif-fertial pulse voltammetry，DPV）和電噴霧電離質(zhì)譜（electrospray inoization mass spectrometry，ESIMS）技術(shù)研究了DMSA，DMPS和DPEN與Hg2+的結(jié)合。首先通過(guò)伏安滴定法獲得絡(luò)合方案的結(jié)果，形成的主要配合物為Hg（DPEN）2，Hg2（DMSA）2和Hg（DMPS）2。之后，通過(guò)DPV及ESI-MS技術(shù)證實(shí)了這些絡(luò)合物的存在。

Chekmeneva 等[18]還報(bào)道了 Hg2+與 DHLA 的線性配位，通過(guò)DPV技術(shù)研究二者1∶1和1∶2配合物的形成，并通過(guò)ESI-MS技術(shù)為它們的絡(luò)合給出了充分證據(jù)。由于2個(gè)巰基間距短，只有存在幾個(gè)配體基團(tuán)時(shí)才能為每個(gè)Hg2+提供具有2個(gè)巰基基團(tuán)的穩(wěn)定線性構(gòu)象。圖4為由2個(gè)DHLA、1個(gè)Hg2+和2個(gè)苯基汞基團(tuán)形成的配合物結(jié)構(gòu)圖，呈現(xiàn)出類(lèi)似的線性結(jié)合配位模式[19]。

其他重金屬巰基配合物呈現(xiàn)的特點(diǎn)與Hg2+相似，含有單個(gè)巰基配體和2個(gè)鄰巰基配體，其pPb值具有顯著差異；可能是由于氨基或羧基存在的結(jié)果。Gale等[20]介紹了用循環(huán)伏安法和DPV技術(shù)研究DMSA和DMPS絡(luò)合鉛的方法，將多元曲線分辨率應(yīng)用于伏安法生成配合物的化學(xué)計(jì)量和穩(wěn)定性常數(shù)。

3 巰基螯合劑的臨床應(yīng)用

最早應(yīng)用的巰基螯合劑是BAL，主要用于治療汞或砷中毒，但由于其不良反應(yīng)較大，逐漸被DMSA和DMPS取代。特別是DMSA為口服劑型，便于服用，得到了較快的普及。DPEN可與體內(nèi)的銅形成無(wú)毒復(fù)合物，也可誘導(dǎo)肝細(xì)胞合成金屬硫蛋白，促進(jìn)排銅。2，3-二巰丁二酸咪唑啉異戊酯（2，3-dimercaptosuccinate imidazoline iso-amylester，MiADMSA）目前正在開(kāi)發(fā)中，未來(lái)可作為潛在的解毒劑。對(duì)于不同的重金屬中毒，需要選擇不同種類(lèi)的巰基螯合劑進(jìn)行治療，必要時(shí)可考慮將螯合劑進(jìn)行聯(lián)合用藥，以快速高效達(dá)到解毒效果。

3.1 二巰丙醇

BAL主要用于含砷或汞毒物的解毒。BAL與路易斯氣反應(yīng)，可生成穩(wěn)定、無(wú)毒的砷化合物，常被稱(chēng)為英國(guó)抗路易斯氣劑[21]。此外，BAL也可與其他有毒金屬形成穩(wěn)定的配合物。二戰(zhàn)后的幾十年里，人們一直使用BAL用于無(wú)機(jī)汞、砷、銻、金和鉍等重金屬的解毒[22]。大劑量BAL可導(dǎo)致嚴(yán)重的不良反應(yīng)，如小動(dòng)脈收縮、血壓升高、頭痛、視力模糊和手麻等反應(yīng)。由于高毒性，BAL目前僅在危及生命或急性砷中毒時(shí)使用幾天。BAL的安全治療窗小，且會(huì)將有毒元素重新分布到大腦，一般情況下會(huì)被DMSA或DMPS取代[23]。

3.2 二巰丁二酸

DMSA分子中含有2個(gè)巰基，1個(gè)可結(jié)合在白蛋白的半胱氨酸殘基上，另1個(gè)可奪取已與組織中酶系統(tǒng)結(jié)合的金屬離子，形成穩(wěn)定的水溶性螯合物由尿排出，使含有巰基的酶恢復(fù)活性，解除重金屬引起的中毒。DMSA可特異性地與鉛結(jié)合，減少鉛在胃腸道的吸收和滯留，降低血鉛濃度，但短時(shí)間用藥后，易使鉛從骨中游離出來(lái)重新分布，引起血鉛反跳性升高[24]，故應(yīng)視情況多療程用藥。DMSA也可與汞、鉻和砷等形成螯合物。DMSA安全有效，是有機(jī)汞中毒的首選解毒藥物，可通過(guò)改變甲基汞在大腦與血液中分布間接減輕其在大腦的聚積[16]。與其他二硫醇解毒劑相比，DMSA毒性較小，幾乎無(wú)人體必要的金屬元素丟失。由于DMSA為口服劑型，在重金屬中毒解毒治療中得到較快普及。

3.3 二巰丙磺鈉

DMPS對(duì)汞中毒解毒效力較BAL好，毒性也較低，對(duì)砷、鉻、鉍、銅和銻等中毒亦有效，許多研究證明其可有效螯合有毒金屬。DMPS被認(rèn)為是無(wú)機(jī)汞中毒的最佳解毒劑。對(duì)于鉛和有機(jī)汞中毒，其解毒效力低于DMSA，但DMPS比DMSA能更有效地去除腎中的汞。DMPS的使用常伴隨機(jī)體中鋅和銅的部分流失，因此建議在治療前后監(jiān)測(cè)這些微量元素[25]。DMPS也伴隨一定的不良反應(yīng)，如惡心、心動(dòng)過(guò)速、頭暈等，但很快可消失。

3.4 青霉胺

DPEN是青霉素的代謝產(chǎn)物，能絡(luò)合汞、鉛、砷、銅、鐵等重金屬。DPEN驅(qū)鉛作用不及EDTA，驅(qū)汞作用不如BAL；但其可口服，不良反應(yīng)少，可供輕度重金屬中毒或?qū)ζ渌蟿┯薪蓵r(shí)選用。本藥口服后約57%經(jīng)胃腸道吸收，分布至全身各處，但主要分布在血漿和皮膚。DPEN主要在肝代謝，服藥24 h內(nèi)由尿排出80%的二硫化物，糞便排出20%[26]。DPEN也有一定的不良反應(yīng)，與給藥劑量有關(guān)，發(fā)生率較高且較為嚴(yán)重。最初的不良反應(yīng)多為胃腸道功能紊亂和味覺(jué)減退。長(zhǎng)期大劑量服用，會(huì)導(dǎo)致皮膚膠原和彈性蛋白受損，有時(shí)出現(xiàn)穿孔性組織瘤。但大多數(shù)不良反應(yīng)可在停藥后自行緩解和消失。

3.5 硫辛酸和二氫硫辛酸

早期LA被當(dāng)作重金屬中毒的解毒劑使用，現(xiàn)也被用于治療糖尿病性神經(jīng)病變。LA進(jìn)入人體后易被還原成DHLA。DHLA含有1對(duì)硫醇基團(tuán)，其R-對(duì)映體是解毒治療的活性形式。LA或DHLA無(wú)論在細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外均能發(fā)揮其藥理作用，促進(jìn)維生素C和E的再生，發(fā)揮抗氧化作用。DHLA對(duì)汞有很高的親和力，被認(rèn)為是一種有效的汞解毒劑[27]。

3.6 2，3-二巰丁二酸咪唑啉異戊酯

與DMSA和DMPS相比，MiADMSA可有效去除機(jī)體中的鎘，比DMSA更有效地減輕亞慢性和急性砷中毒的負(fù)擔(dān)[28]。當(dāng)與N-乙酰半胱氨酸一起使用時(shí)，可顯著減少螯合治療中的氧化應(yīng)激。

3.7 聯(lián)合用藥

巰基螯合劑對(duì)重金屬中毒的解毒療效非常顯著，是目前臨床上的主要解毒劑。但目前常是各解毒劑單獨(dú)使用，往往需要患者大量、多次服藥，為患者及醫(yī)護(hù)人員帶來(lái)極大不便。故本文提出聯(lián)合用藥的方式，對(duì)不同重金屬中毒，可選擇將≥2個(gè)螯合劑一起服用或先后服用，以快速、安全、高效地達(dá)到解毒效果，提高患者用藥順應(yīng)性。研究表明，DMSA與莫能菌素（monensin）聯(lián)合使用，比單獨(dú)使用DMSA更有效，特別是在去除沉積在大腦中的鉛方面。在與DMSA聯(lián)合用藥時(shí)，離子載體莫能菌素對(duì)鉛離子（Pb2+）在磷脂膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)具有較高的活性和選擇性，可顯著加速Pb2+與胞外DMSA的螯合，增加鉛在大腦、心臟、肝和腎中的去除量[29]。莫能菌素通過(guò)將Pb2+和OH-與外部Na+交換而促進(jìn)胞內(nèi)鉛向胞外轉(zhuǎn)運(yùn)，加速胞內(nèi)鉛與DMSA的螯合，從而提高其有效性。在此過(guò)程中，莫能菌素作為DMSA的載體存在[30]，二者相輔相成，快速高效地起到解毒效果。此外，MiADMSA和DMSA的聯(lián)用比其單用對(duì)促進(jìn)鎘清除更有效。汞蒸氣中毒時(shí)，建議DMPS與BAL聯(lián)合用藥。根據(jù)DMPS與BAL的化學(xué)結(jié)構(gòu)可知，二者聯(lián)合用藥時(shí)，巰基數(shù)量增多，易使更多的中毒重金屬離子同時(shí)被螯合，并形成穩(wěn)定的線性配合物；DMPS中的磺酸基與BAL中的羥基可形成氫鍵，也會(huì)使配合物的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。根據(jù)巰基解毒劑的安全性可知，BAL安全治療窗小，毒性大，但對(duì)汞中毒解毒效力更佳；而DMPS毒性較小，且不良反應(yīng)可自行消失?？傊珼MPS與BAL聯(lián)合用藥比二者單用解毒效果更好。對(duì)最新聯(lián)合用藥配對(duì)以應(yīng)對(duì)不同重金屬中毒總結(jié)見(jiàn)表2。

表2 重金屬中毒的聯(lián)合用藥

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)重金屬中毒的快速高效解毒一直為臨床所關(guān)注。目前上市的各種含巰基解毒劑在臨床上均為單用，往往會(huì)產(chǎn)生一定的毒性，對(duì)患者造成嚴(yán)重的不良反應(yīng)。然而，在充分考慮各巰基螯合劑理化性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，采用聯(lián)合用藥的方式來(lái)應(yīng)對(duì)不同的重金屬中毒，可安全、快速、高效達(dá)到解毒效果。也就是說(shuō)，可通過(guò)使用相同解毒功效的其他解毒劑作以輔助，以減少主藥用量，從而降低主藥的毒性和不良反應(yīng)。也可采用其他類(lèi)型的非巰基螯合劑輔助治療，使各螯合劑間相互作用產(chǎn)生范德華力，并與重金屬離子形成線性穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，進(jìn)而相互促進(jìn)各自的解毒功效，使解毒更高效、更安全。DMPS與BAL聯(lián)合用藥治療無(wú)機(jī)汞鹽和汞蒸氣中毒及DMSA與MiADMSA聯(lián)合用藥治療鎘中毒等新穎的螯合劑聯(lián)合用藥方式均具有較好的解毒效果。當(dāng)然，通過(guò)臨床深入應(yīng)用和研究，應(yīng)還能發(fā)現(xiàn)更多、更理想的聯(lián)合用藥配方和用藥方式用于重金屬中毒的高效救治。