妊娠期重金屬中毒解毒劑治療的研究進(jìn)展

林 崟,顏崇淮

(上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院 教育部和上海市環(huán)境與兒童健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092)

重金屬(heavy metal)是指密度大于5g/cm3的金屬元素,根據(jù)其對(duì)機(jī)體的毒性分為兩類:一類是有毒重金屬,一類屬于必需微量元素。前者(鉛、汞和鎘等)在低濃度下即具有毒性,其毒性與劑量呈正相關(guān);后者(錳、鐵和銅等)在體內(nèi)具有生理功能,例如銅、鋅和錳作為超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)的金屬輔基可保護(hù)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等大分子及線粒體免受氧化損傷;鐵參與形成血紅蛋白,是構(gòu)成多種酶的重要組成部分,但其過量也會(huì)對(duì)健康有害[1]。流行病學(xué)研究表明,重金屬暴露與心血管疾病、不孕癥、出生缺陷、癌癥及糖尿病等疾病的發(fā)生顯著相關(guān)。重金屬可以長久地蓄積在體內(nèi),對(duì)孕產(chǎn)婦及兒童的健康結(jié)局產(chǎn)生不利影響,例如,妊娠期母體骨鉛動(dòng)員增強(qiáng),繼而影響兒童神經(jīng)發(fā)育[2]。因此,在加強(qiáng)重金屬暴露預(yù)防工作的同時(shí),需從降低重金屬的體內(nèi)負(fù)荷、緩解重金屬毒性兩個(gè)方面著手以減輕重金屬的健康效應(yīng)。

大部分重金屬在體內(nèi)的排泄率很低,螯合劑(chelating agents,chelators)能結(jié)合并加速重金屬的排出,在臨床上已得到廣泛使用。但現(xiàn)有的螯合劑不能逆轉(zhuǎn)重金屬中毒引起的損傷,部分螯合劑甚至可以通過胎盤或乳汁對(duì)胎兒及兒童的健康造成不利影響,而具備高度選擇性、靶向分布等多種特性的新型金屬螯合劑,目前仍處在實(shí)驗(yàn)階段。聯(lián)合使用多種螯合劑更有可能將有毒金屬從不同的細(xì)胞/組織中動(dòng)員出來,并可減輕毒性作用[3]。重金屬主要通過產(chǎn)生自由基改變細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài),產(chǎn)生細(xì)胞毒性[4]。部分螯合劑和必需金屬元素本身具有抗氧化作用,可用于重金屬解毒。雙功能抗氧化劑可通過螯合并清除引發(fā)過氧化的離子,阻止自由基等活性物質(zhì)的形成,減輕大分子物質(zhì)的氧化損傷,可能是治療重金屬中毒的新趨勢。綜上,將螯合劑與抗氧化劑和必需微量元素等多種解毒劑聯(lián)合用于治療不僅能夠提高臨床上重金屬中毒的療效,也可以降低毒副反應(yīng),可作為治療妊娠期重金屬中毒的新策略。

1 螯合劑與重金屬中毒

1.1 螯合劑概述

螯合劑是一種具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的配位原子的環(huán)形絡(luò)合物,能與體內(nèi)配體競爭性結(jié)合金屬離子,形成穩(wěn)定、無毒、水溶性的螯合物通過尿液及膽汁排泄[5],可用于治療重金屬中毒(見表1),以及地中海貧血等金屬過載性疾病。螯合劑中的“螯”比喻多齒配體(有兩個(gè)或兩個(gè)以上配位原子的配體)像螃蟹用兩只大鉗緊緊夾住金屬離子形成金屬螯合物,療效與血液pH值、穩(wěn)定常數(shù)(即某種螯合劑對(duì)各種金屬親和力的順序,以Ks表示)、脂水分配系數(shù)(評(píng)價(jià)螯合物親水性或親脂性的大小,以P表示)、配體間相對(duì)濃度及競爭關(guān)系等有關(guān),見圖1[5]。

圖1 螯合劑及螯合劑-金屬復(fù)合體

表1 重金屬中毒及對(duì)應(yīng)的螯合劑治療

1.2 螯合劑種類

臨床上常用的螯合劑包括巰基螯合劑和氨羧螯合劑兩大類[6],見表2。前者主要有二巰丙醇,又稱英國抗路易氣劑(British anti-Lewisite,BAL)、二巰基丙磺酸(dimercaptopropane sulfonate,DMPS)、二巰基丁二酸(dimercaptosuccinic acid,DMSA)和D-青霉胺(D-Penicillamine,DPA)等,通過提供巰基(-SH)并與金屬原子/離子結(jié)合形成相對(duì)無害、穩(wěn)定的環(huán)形配合物,從而經(jīng)腎臟排泄;后者包括依地酸二鈉鈣(calcium disodium ethylenediamine tetraacetic acid,CaNa2EDTA)、去鐵胺(deferoxamine,DFO)、去鐵酮(deferiprone,DFP,L1)、地拉羅司(deferasirox,DFX)等,其含有氮原子和羧基(-COOH),二者均可提供多對(duì)電子與靶金屬結(jié)合形成螯合物。

表2 臨床上常用螯合劑的特性

1.2.1 巰基螯合劑

BAL最早用于治療重金屬中毒,包含兩個(gè)巰基,屬于二齒螯合劑。通常用于驅(qū)除體內(nèi)的砷、鉛和汞(無機(jī)汞,如HgCl2)。DMPS包含一個(gè)磺酸基(-HSO3)和兩個(gè)硫醇基(-RSH),通常用于治療砷、鉛和汞中毒。DMSA也稱為2,3-二巰基琥珀酸,包含兩個(gè)羧基和兩個(gè)巰基,用于治療鉛和汞的毒性。DMPS和DMSA是BAL的水溶性類似物,解毒效果較BAL強(qiáng)、毒性較小、副作用較少,不會(huì)導(dǎo)致重金屬再分布到腦部。DPA是青霉素的代謝產(chǎn)物,含有巰基。DPA主要從體內(nèi)去除多余的銅,常用于治療威爾遜病(Wilson’s disease,WD),還用作為鉛或砷中毒的二線或三線藥物[3]。

1.2.2 氨羧螯合劑

CaNa2EDTA包括兩個(gè)氮原子和四個(gè)羥基,屬于六齒螯合劑,主要用于治療鉛中毒[7]。CaNa2EDTA容易與不含Ca2+的Na2EDTA混淆,后者會(huì)優(yōu)先結(jié)合鉛中毒患者血中Ca2+,造成嚴(yán)重的低鈣血癥,故不能用于治療鉛中毒,且Na2EDTA降低血鈣濃度的速度過快,目前也不用于治療高鈣血癥,主要作為采血管中的抗凝劑使用。而CaNa2EDTA中的Ca2+可以被穩(wěn)定系數(shù)更高的金屬離子(如Pb2+、Cd2+、Mn2+)置換出來(見表3),形成水溶性配合物,隨后經(jīng)腎臟排泄。

表3 CaNa2EDTA對(duì)各種金屬離子的穩(wěn)定常數(shù)

DFO是一種六齒鐵螯合劑,包含25個(gè)碳原子和三個(gè)異羥肟酸基團(tuán),每個(gè)去鐵胺分子可以結(jié)合1個(gè)鐵原子。DFO與三價(jià)鐵離子形成強(qiáng)鍵,對(duì)二價(jià)離子諸如Fe2+、Cu2+、Zn2+、Ca2+的親和力很低。DFO與Fe3+和Al3+以1∶1比例結(jié)合,分別形成鐵氧胺和鋁氧胺化合物,它們是穩(wěn)定的復(fù)合物,可以經(jīng)膽汁和尿液有效地排出,用于β地中海貧血及其他鐵過載狀態(tài)患者的長期治療,也用于治療慢性腎臟病相關(guān)的鋁中毒。除了DFO,目前臨床上應(yīng)用的鐵螯合劑還包括DFP、DFX[8]。

1.3 妊娠期螯合治療的安全性

根據(jù)美國食品藥品管理局頒布的標(biāo)準(zhǔn),CaNa2-EDTA屬于妊娠期安全等級(jí)B級(jí)(在動(dòng)物繁殖性的研究未見到藥物對(duì)胎兒的不良影響,但沒有在妊娠婦女中進(jìn)行適當(dāng)、有對(duì)照組的研究),BAL、DMSA、DFO及DFX屬于C級(jí)(動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明藥物對(duì)胎兒有危害性,只有在權(quán)衡對(duì)孕婦的益處大于對(duì)胎兒的危害之后,方可使用),DPA和DFP屬于D級(jí)(藥物對(duì)人類胎兒有危害性,但在確有應(yīng)用指征、且患者受益大于可能的風(fēng)險(xiǎn)時(shí),嚴(yán)密觀察謹(jǐn)慎使用)。臨床上,中型或重型地中海貧血患者在孕前通過鐵螯合劑行驅(qū)鐵治療,從而降低體內(nèi)鐵負(fù)荷,但DFP可引起胚胎死亡及胎兒畸形,因此地中海貧血的患者在DFP治療期間和停藥后至少6個(gè)月內(nèi)應(yīng)采取有效的避孕措施;DFP還可廣泛地排泄至乳汁,如果驅(qū)鐵治療不可避免,應(yīng)停止母乳喂養(yǎng)[8]。迄今為止,在妊娠期間接受另一種鐵螯合劑DFO治療的患者分娩的兒童均無畸形,但由于缺乏足夠數(shù)據(jù)證實(shí)其在妊娠早期使用的安全性,孕早期不應(yīng)使用DFO,只有在非不得已時(shí)才用藥,臨床上建議在妊娠20周后低劑量使用[8]。

現(xiàn)有的螯合劑還存在一定的不良反應(yīng),可引起惡心、頭痛、血壓升高等副作用。銅螯合劑青霉胺可能導(dǎo)致WD患者神經(jīng)系統(tǒng)癥狀惡化,通過替換成曲恩汀(trientine,TTH)和四硫鉬酸鹽(tetrathiomolybdate)可減少副作用[9]。多數(shù)螯合劑缺乏特異性和選擇性,在螯合目標(biāo)金屬元素的同時(shí),也會(huì)螯合體內(nèi)一些重要的微量元素,從而導(dǎo)致這些必需微量元素的缺乏。少數(shù)鉛中毒患兒使用DMSA或CaNa2-EDTA時(shí),血清鋅會(huì)降低,造成患兒免疫力低下,出現(xiàn)感冒、發(fā)燒等表現(xiàn),在驅(qū)鉛治療結(jié)束后,應(yīng)注意監(jiān)測微量元素并對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性補(bǔ)充[7]。另外,一些螯合劑可使有毒金屬向腦和骨再分布,比如CaNa2-EDTA不能穿過細(xì)胞膜,僅能從細(xì)胞外液中去除鉛,缺少從細(xì)胞內(nèi)部螯合金屬的能力,在嚴(yán)重鉛中毒時(shí),可使鉛從其他組織重新分布到大腦,造成鉛中毒性腦病。因此在螯合治療前,進(jìn)行利弊分析是至關(guān)重要的,在某些情況下使用螯合劑比不治療引起的損害更大。

2 螯合治療的進(jìn)展

現(xiàn)有的螯合劑面臨著非組織特異性、重金屬驅(qū)排效果不理想、有毒金屬向腦和骨再分布、排泄人體必需微量金屬元素、不能修復(fù)已經(jīng)造成的機(jī)體損傷等缺點(diǎn),這些局限推動(dòng)著新型螯合劑的發(fā)展[10]。8-羥基喹啉是具有強(qiáng)抗氧化性能的鐵螯合劑,能夠穿越血腦屏障,Zheng等[11]合成了幾種帶有8-羥基喹啉結(jié)構(gòu)的新型抗氧化劑-鐵螯合劑,表現(xiàn)出螯合Fe3+的高特異性及高抗氧化能力。羥基吡啶并酮(hydroxypyridinones,HOPOs)是各種螯合劑的出色結(jié)構(gòu)單元,具有3-羥基-4-吡啶并酮(3,4-HOPO)的去鐵酮,已經(jīng)廣泛用于治療全世界的鐵超載疾病。3,4-HOPO螯合劑具有較低的毒性,對(duì)三價(jià)金屬離子特異性高,一些基于3,4-HOPO結(jié)構(gòu)的新型螯合劑正在進(jìn)行臨床試驗(yàn),可以高效清除鋁(Al)和钚(Pu),具有廣闊的應(yīng)用前景,見圖2[12]。

圖2 螯合劑和抗氧化劑化學(xué)結(jié)構(gòu)式

一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中研究者開發(fā)了3類DMSA衍生物,包括單異戊基DMSA(monoisoamyl DMSA,MiADMSA)、單甲基DMSA(monomethyl DMSA,MnDMSA)和單環(huán)己基DMSA(monocyclohexyl DMSA,MchDMSA),它們親脂性強(qiáng),毒性小,對(duì)細(xì)胞膜滲透性強(qiáng),表現(xiàn)出比DMSA更好的重金屬清除功效[13]。臨床實(shí)踐的新趨勢是聯(lián)合螯合療法治療,通過使用結(jié)構(gòu)不同的螯合劑,可以更有效地去除有毒金屬,例如DMSA與MiADMSA的共同給藥在降低毒物濃度和減少氧化應(yīng)激負(fù)擔(dān)方面更有效,在妊娠晚期相對(duì)安全,并且不會(huì)對(duì)哺乳母鼠和子代造成不利影響[3]?！秲和咩U血癥和鉛中毒分級(jí)和處理原則》提出,臨床上重度鉛中毒兒童的治療采用DMSA和CaNa2EDTA聯(lián)合驅(qū)鉛治療。

3螯合劑聯(lián)合抗氧化劑和必需微量元素用于重金屬中毒的治療進(jìn)展

3.1 抗氧化治療

重金屬誘導(dǎo)機(jī)體發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng),引起DNA損傷、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變和脂質(zhì)過氧化,并抑制機(jī)體的正常生理功能,導(dǎo)致健康問題及疾病產(chǎn)生[6]?？寡趸瘎┩ㄟ^螯合和清除等機(jī)制可以降低重金屬的毒性作用,為孕產(chǎn)婦及兒童提供更完善的治療效果(圖3)。螯合劑輔助抗氧化劑可以提高螯合劑的療效并減少毒副反應(yīng),如谷胱甘肽(glutathion,GSH)能夠提高CaNa2EDTA的有效性,同時(shí)防止腎毒性[6]。與單獨(dú)使用DMSA或大蒜素相比,DMSA與大蒜素的聯(lián)合使用更顯著地降低Swiss小鼠的骨鉛水平,可以減輕骨鉛動(dòng)員對(duì)子代的神經(jīng)毒性。最新的研究探索了包括內(nèi)源性(含硫氨基酸、維生素、必需脂肪酸等)、外源性(食品和植物提取物、人工合成藥物)在內(nèi)的一系列抗氧化劑,它們在重金屬中毒的綜合治療方面顯示出許多有益效果。

圖3 抗氧化劑通過螯合和清除等機(jī)制降低重金屬的毒性作用

3.1.1 維生素

維生素有助于從受累的靶器官/組織調(diào)動(dòng)蓄積的金屬,從而減輕機(jī)體受到氧化應(yīng)激損傷的風(fēng)險(xiǎn)。目前發(fā)現(xiàn)硫胺素(維生素B1)、抗壞血酸(維生素C)、α-生育酚(維生素E)和吡哆醇(維生素B6)等與金屬螯合劑作為聯(lián)合療法給藥時(shí),可以提高妊娠期的臨床治療效果[13]。

3.1.2 含硫氨基酸

蛋氨酸是一種必需氨基酸,其結(jié)構(gòu)中的硫基有助于清除有毒金屬。N-乙酰半胱氨酸(N-acetyl-L-cysteine,NAC)作為一種含硫抗氧化劑,可以刺激GSH的生物合成,從而清除活性氧并維持抗氧化劑/促氧化劑水平的穩(wěn)態(tài)。?；撬嵋驯粓?bào)道用于治療重金屬中毒,與螯合劑共同使用可以減少血液和大腦中鉛誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激,表現(xiàn)出巨大的治療潛力[13]。

3.1.3 食品和植物提取物

黃酮類化合物廣泛存在于自然界的植物中,在清除自由基離子方面具有潛在的抗氧化活性,從而最大限度地減少氧化應(yīng)激的發(fā)生[4]。最有效的類黃酮化合物之一是槲皮素,它通過螯合與清除機(jī)制抑制氫過氧化物引起的DNA損傷。天然多酚類物質(zhì),如姜黃素等,不僅可以作為抗氧化劑終止自由基鏈反應(yīng),還可以作為氧化活性金屬的有效螯合劑。吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone,PQQ)作為重要營養(yǎng)素在膳食中廣泛存在,由于不能在哺乳動(dòng)物中合成,飲食中缺乏PQQ會(huì)使機(jī)體產(chǎn)生類似維生素相關(guān)缺乏癥的反應(yīng)。PQQ具有促進(jìn)機(jī)體生長和線粒體形成、抗氧化及增強(qiáng)免疫等功能,是一種氧化還原酶輔基,能有效地清除體內(nèi)的自由基,減少自由基對(duì)人體的傷害,在重金屬治療方面具有良好的前景[14]。這些天然抗氧化劑可以抑制氧化、清除自由基,發(fā)揮螯合、還原和清除特性(表4)。與傳統(tǒng)的螯合劑相比,天然來源的補(bǔ)充劑、食品和植物抗氧劑,由于其可負(fù)擔(dān)性、實(shí)用性高和副作用小,可作為妊娠期的金屬解毒劑使用。

表4 天然抗氧化劑解毒的機(jī)理及活性成分

3.1.4 人工合成藥物

普羅布考(probucol,PB)最早用于降脂,是心腦血管疾病的二級(jí)預(yù)防用藥, PB作為強(qiáng)抗氧化藥物可以保護(hù)神經(jīng)元免受損傷[27]。在昆明小鼠錳中毒模型中,PB通過自身抗氧化作用抑制了依賴caspase-3介導(dǎo)的線粒體凋亡通路(內(nèi)源性)來降低腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞的凋亡,進(jìn)而改善錳對(duì)小鼠造成的氧化應(yīng)激損傷和神經(jīng)毒性等[28]。

對(duì)氨基水楊酸鈉(sodium para-aminosalicylic acid,PAS-Na)是一種含有水楊酸基團(tuán)的非甾體抗炎藥,具有神經(jīng)保護(hù)作用[29]。對(duì)1例使用PAS-Na治療的慢性中度錳中毒患者長達(dá)17年的追蹤觀察發(fā)現(xiàn),PAS-Na治療慢性錳中毒的遠(yuǎn)期療效較好。PAS-Na可經(jīng)JNK/P38 MAPK途徑對(duì)錳誘導(dǎo)的神經(jīng)炎癥產(chǎn)生拮抗作用。PSA-Na具有調(diào)節(jié)SD大鼠體內(nèi)Fe2+、Cu2+、Zn2+等二價(jià)金屬元素穩(wěn)態(tài)的作用,過量錳暴露下可上調(diào)這些金屬元素在動(dòng)物體內(nèi)的水平。近期研究還發(fā)現(xiàn)PAS-Na對(duì)鉛誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性具有保護(hù)作用,通過調(diào)節(jié)ERK1/2-p90RSK/NF-κB通路,抑制大鼠海馬神經(jīng)炎癥,改善染毒鉛大鼠的學(xué)習(xí)記憶障礙[30]。

3.2 元素補(bǔ)充治療

3.2.1 必需微量元素補(bǔ)充

螯合治療在清除有毒和多余的金屬離子的同時(shí)也會(huì)丟失一些必需微量元素,因此妊娠期間在螯合劑使用前后可通過檢測尿、血等查看體內(nèi)金屬元素的含量,及時(shí)補(bǔ)充丟失的營養(yǎng)元素。這部分丟失的營養(yǎng)元素,如鋅、硒、錳等必需微量元素還可發(fā)揮抗氧化功能,有助于排出有毒金屬,同時(shí)維持正常身體功能所需的金屬和輔因子的平衡。已被證明在鉛暴露之前給予動(dòng)物鋅、硒補(bǔ)充劑具有保護(hù)作用;補(bǔ)充鋅的鉛暴露動(dòng)物可以恢復(fù)SOD和δ-氨基乙酰丙酸脫水酶(δ -aminolevulinic acid dehydratase,ALAD)水平,而補(bǔ)充硒可以上調(diào)鉛暴露動(dòng)物腎臟和肝臟組織中SOD、GSH和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GPX)的水平[4]。

3.2.2 金屬元素間競爭性抑制

金屬間存在相互作用,主要表現(xiàn)為競爭性吸收,故利用金屬間的拮抗作用減少某些重金屬的吸收,有助于解毒。例如鐵和錳共享同一個(gè)二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(divalent metal transporter 1,DMT1),故補(bǔ)充鐵有助于降低錳負(fù)荷[31]。鐵、鋅和銅在胃腸道中競爭性吸收,補(bǔ)充藥理劑量的鋅可減少銅元素吸收,鋅劑通過誘導(dǎo)腸黏膜和肝細(xì)胞合成金屬硫蛋白(metallothionein,MT),MT與銅有較高的親合力,可用于治療妊娠期的WD等銅過載性疾病[32]。

4 結(jié)語

隨著城市化和工業(yè)化的發(fā)展,重金屬污染日益嚴(yán)重,重金屬暴露仍然是影響婦幼健康的一項(xiàng)重要公共衛(wèi)生問題,因而,妊娠期重金屬中毒的治療非常重要。螯合劑能夠迅速排出體內(nèi)有毒重金屬,但現(xiàn)有的螯合治療毒副作用大,驅(qū)排效果不理想,可以透過母胎屏障影響胎兒和兒童健康,還會(huì)引起部分必需微量元素的丟失,打破體內(nèi)金屬元素穩(wěn)態(tài)。必需微量元素的補(bǔ)充治療有助于維持孕產(chǎn)婦及兒童體內(nèi)金屬元素的穩(wěn)態(tài),還可以通過金屬間的相互作用降低妊娠期有毒金屬的負(fù)荷。而基于現(xiàn)有螯合劑的局限,開發(fā)與設(shè)計(jì)新型螯合劑取得一定的進(jìn)展。研究表明氧化應(yīng)激損傷是多種重金屬暴露引起機(jī)體組織病理損傷的共同機(jī)制,抗氧化治療可以有效降低重金屬的毒性作用,雙功能抗氧化劑既能加速有毒金屬的排泄,又可以降低氧化應(yīng)激損傷,已經(jīng)受到大家普遍重視。因此,螯合劑、抗氧化劑與必需微量元素等解毒劑的聯(lián)合治療可成為妊娠期重金屬治療的有效補(bǔ)充方案。