芥子气(sulfur mustard,SM)是一种糜烂性毒剂,多次被用于战争冲突[1]。因SM具有理化性质稳定、穿透性强、中毒途径多等特点,其在现代战争中仍然发挥重要作用,是重大化学威胁之一。而且它的结构简单,容易合成,易被恐怖分子掌握和利用,也是中国面临的重要化学恐怖威胁[2]。另外,尽管《禁止化学武器公约》已签订多年,但是日军在华遗留的化学武器在短时间内对中国公民的危害难以消除,其中SM是主要化学毒剂[3]。因此,加强SM损伤防治研究对保持中国军队战斗力、维护国家安全及人民健康均有重大意义。SM中毒机制复杂,至今仍未阐明;而且多数防护药物尚处于实验阶段,仅有极少数用于临床,且效果均不理想,因此对SM损伤的毒理机制及防护药物的研究是国内外SM研究领域的重点之一。
1 SM毒理机制研究 1.1 DNA损伤据文献报道体内DNA对SM最为敏感,不仅是SM攻击的主要靶分子,也是SM中毒的重要始发部位[4]。SM与DNA的烃化反应速度快,毒性效应高。烃化方式主要有双烃化和单烃化2种,其中双烃化又分为链内交联和链间交联[5]。双烃化可以是在SM的两个烃化功能基团与DNA的两条互补链之间或同一链内的交联,也可以是SM的两个烃化功能基团与DNA和蛋白质之间的交联;而单烃化则是SM的单个烃化功能基团与DNA间的交联。SM与DNA多个碱基部位可发生烃化,其中与鸟嘌呤的N-7与O-6、腺嘌呤的N-3烃化最为常见,如SM与2个鸟嘌呤的N-7发生双烃化可形成常见的双(2-乙基-N7-鸟嘌呤)硫醚[bis(2-ethyl-N7-guanine)thioether(Bis-G)][6]。DNA的链间交联易直接诱导细胞死亡;而单烃化则多引起DNA遗传信息障碍,如SM与鸟嘌呤O-6的烃化作用是遗传信息障碍的重要原因[7]。DNA损伤后激活的毛细血管扩张性共济失调突变蛋白激酶(ataxia-telangiectasia mutated protein kinase, ATM)可使多种下游蛋白如P53(Ser15)、Chk2、nibrin(NBS1)、Brca1等磷酸化[8];激活的共济失调毛细血管扩张Rad3蛋白激酶(ataxia-telangiectasia and Rad3-related protein kinase, ATR)可磷酸化细胞周期关键点激酶Chk1;此外,ATM和ATR在调节DNA修复、阻滞细胞周期等过程中发挥重要作用[9]。
1.2 聚腺苷酸二磷酸核糖聚合酶[poly(ADP-ribose)polymerase, PARP]激活高浓度SM中毒后能迅速激活PARP-1,后者消耗大量NAD+[10],从而抑制葡萄糖分解和乳酸形成,进而消耗更多的ATP,最终导致细胞坏死。实验研究证实用SM染毒HaCat细胞后半胱氨酸蛋白酶3(caspase-3)呈剂量依赖性激活[11-12],因PARP-1是caspase-3的作用底物之一,故该结果表明PARP-1可通过激活caspase-3参与SM导致的细胞早期凋亡过程。PARP还可通过诱导核蛋白聚ADP-核糖基化作用,活化p53基因,诱导细胞死亡[11]。同样浓度SM染毒后,PARP-/-成纤维细胞的死亡方式由坏死变为凋亡,而PARP-/-角质形成细胞的死亡方式则不受影响,表明PARP的激活依据细胞损伤程度、细胞类型而异[13]。
1.3 氧化应激目前认为SM介导氧化应激的主要原因是谷胱甘肽(glutathione,GSH)的耗竭与细胞内巯基的释放[14]。SM中毒造成机体内大分子损伤后,产生大量自由基可直接攻击体内生物大分子如DNA、RNA、不饱和脂肪酸等造成细胞损伤,也可耗竭体内GSH、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)及血红素氧合酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)等,从而引起体内抗氧化防御体系受损以及蛋白质氧化物、脂质过氧化产物等增多,最终导致细胞损伤。Paromov等[15]检测到SM染毒后小鼠肺组织中产生大量自由基,致使HO-1的表达不断增加;然而随时间增加其过度消耗,表达明显降低。Tahmasbpour等[16]研究发现SM损伤的患者氧化应激反应蛋白1(oxidative stress responsive-1, OXSR1)、叉头盒转录因子(forkhead box M1, FOXM1)及谷胱甘肽过氧化物酶2(glutathione peroxidase-2, GPX2)基因的表达显著上调,而金属硫蛋白3(metallothionein-3, MT3)和谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase, GSR)基因的表达受抑制,以上结果提示SM肺损伤可显著改变缺氧诱导基因、抗氧化剂、活性氧物质产生的基因的表达,表明SM肺损伤与氧化应激是密切相关的。
1.4 炎症反应目前相关文献均已证实SM中毒可引起炎症反应及免疫失衡反应。如在建立的SM肺损伤模型中经吸入或气管滴注SM后,可在呼吸道发现大量炎性细胞浸润[17-18],以及环氧合酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)及诱导性一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)等炎症反应标志物的含量增加,而抗炎相关的胶原凝集素的含量却减少[14]。另外,Pal等[19]建立豚鼠肺损伤模型后发现,SM或其类似物2-氯乙基乙基硫醚(2-chloroethyl ehtyl sulfide,CEES)可激活NF-κB参与炎症反应。Dillman等[20]和Emad等[21]研究证实SM染毒后可诱导P38磷酸化,进而激活白介素(IL)-1α、IL-1β、IL-6、IL-8及肿瘤坏死因子α(TNF-α)等炎症因子,且P38抑制剂能够显著抑制上述炎症因子,该结果表明P38在SM引起的炎症反应中也发挥着重要作用。
1.5 免疫调节反应SM损伤后,招募炎症细胞迁移至受损部位是一个由细胞因子及趋化因子组成的网状系统共同调节的复杂过程。MCP-1/CCL2、MIP-1α/CCL3、MIP-1β/CCL4、RANTES/CCL5主要参与趋化单核-巨噬细胞的聚集及趋化过程[21-22];KC/CXCL1、MIP-2/CXCL2主要参与趋化中性粒细胞的过程[23-24];IP-10/CXCL-10、MIP-1α/CCL3、MIP-1β/CCL4主要参与T细胞的激活、趋化过程[21-22]。多种趋化因子过表达后,促进免疫细胞激活,导致免疫调节紊乱,加重损伤反应。Emad等[21]研究发现,SM肺损伤伤员的肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid, BALF)中趋化因子MCP-1/CCL2、MIP-1α/CCL3和MIP-1β/CCL4的水平增高。Claudia等[22]利用氮芥(NM,200~400 mmol/L)处理人呼吸表皮细胞时发现SM染毒可引起多种促炎、趋化因子的分泌增高,包括TNF-α、IL-1α、IL-1β、 IL-6、IL-8、RANTES/CXCL5、MCP-1/CCL2、IP-10/CXCL10、G-CSF、GM-CSF和IL-15。Mishra等[23]建立大鼠及猴的SM中毒模型,3 d后发现SM损伤肺组织后促炎因子TNF-α、IL-2、IL-6及趋化因子MCP-1/CCL2、MIP-1α/CCL3、CCL11和KC/CXCL1的mRNA水平增加,且BALF中的TNF-α、IL-1β的表达升高。Mouret等[24]在SM暴露的小鼠模型上观察到趋化因子MIP-1α、MIP-2、MIP-1αR及KC的水平升高,且具有SM中毒剂量及时间依赖性。另外研究发现Th17细胞在SM肺损伤后期肺纤维化中发挥重要作用,SM致肺纤维化患者的IL-17+细胞显著增高[23, 25]。以上研究表明SM损伤引起的机体炎症反应与免疫调节密切相关。
1.6 蛋白水解酶激活皮肤是SM染毒的敏感部位。SM接触到皮肤可迅速渗入,易引起红斑、水疱、糜烂、溃疡等症状。SM引起的水疱与基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)有关,尤其是MMP-2、MMP-9[26]。Shakarjian等[27]将鼠耳暴露于SM(0.08 mg)后发现MMP-9可迅速被激活;7 d后其蛋白水平升高9倍,而mRNA水平升高27倍;之后MMP就迅速降解基底膜中的胶原及其他组分,造成表皮、真皮分离,形成水疱。进一步研究发现SM的毒性可能与胰蛋白酶/糜蛋白酶样丝氨酸蛋白酶激活有关[28]。
1.7 细胞凋亡SM诱导的细胞凋亡是SM致器官急性损伤的特征之一。孟晓等[29]利用SM直接损伤大鼠气管壁的研究结果显示上皮层和黏膜下层凋亡细胞的capases-3及capases-9表达阳性。另外,Keyser等[30]发现利用300 μmol/L SM处理人支气管上皮细胞后capases-3被激活,且发现SM可通过调节FAS反应通道来诱导细胞凋亡;而FasR siRNA及ZB4可抑制SM对capases-3激活的诱导作用。另外,SM可导致细胞周期调控失调,增加细胞凋亡标志物,且具有时间和剂量依赖性[31]。
1.8 钙离子失调Stenger等[32]发现CEES和SM等烃化剂均可激活瞬时受体电位阳离子通道蛋白1(TRPA1),从而引起大量钙离子内流,造成细胞功能紊乱,诱导组织损伤。而TRP通道抑制剂AP-18能够显著抑制钙离子内流。该结果表明钙离子失调在SM损伤机制中发挥重要作用,且钙离子通道抑制剂可有效地减少SM引起的细胞损伤。
2 SM损伤防治药物研究进展自SM引入战争以来,虽然对其防护治疗药物的研究从未间断,但目前尚未发现特效抗毒药物,临床治疗主要为对症治疗,所选用的药物大多针对单个靶点,现在的研究主要集中于自由基清除剂及抗氧化剂、PARP抑制剂、抗炎药物及蛋白酶抑制剂等。
2.1 自由基清除剂及抗氧化剂自由基清除剂及抗氧化剂在SM防治中研究最多。研究的化合物种类繁多,包括氮乙酰半胱氨酸(N-acetylcysteine, NAC)、氨磷汀及类似物、金属卟啉类抗氧化物、褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基色胺)、雌马酚和水飞蓟宾等。文献报道NAC和氨磷汀可清除SM染毒后体内的自由基,但不易透过细胞膜到达靶标,仅可清除细胞外的自由基,因此防治效果并不理想[33-34]。Vijayaraghavan等[35]进一步研究提出,脂质体能够携带NAC、GSH或超氧化氢酶(catalase, CAT)等自由基清除剂透过细胞膜进入胞内,提高细胞内自由基的清除率而有效缓解SM损伤。Kannan等[36]通过结构改造合成了如DRDE-07[S-2(2-aminoethylamino)ethyl phenyl sulfide]等氨磷汀衍生物,发现在SM染毒前30 min给药能有效预防SM损伤,但尚未有相关临床应用报道。金属卟啉类抗氧化物AEOL-10150具有提高SOD和CAT活性的作用[37]。在大鼠吸入5%CEES 15 min之后,1 h和9 h分别给予AEOL-10150(5 mg/kg,SC)处理,SM暴露18 h后检测中性粒细胞、红细胞、IgM、肺中髓过氧化物酶(myeloperoxidase, MPO)及氧化指标8-OHdG和4-HNE等的水平,结果显示AEOL-10150可明显减轻CEES导致的肺损伤[38]。自由基清除剂褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基色胺)可通过直接清除自由基和抑制NF-κB激活,减轻脂质过氧化作用[39]。另外,雌马酚(大豆异黄酮的代谢产物之一)可通过清除自由基调节一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)的作用,促进SM损伤家兔皮肤愈合[35, 39]。CEES染毒30 min后的SKH-1小鼠局部使用强抗氧化剂水飞蓟宾,可抑制AP-1和NF-κB的活性,并降低8-OHdG和4-HNE的含量,从而减轻皮肤损伤[40]; 此外,研究发现其墩果酸和莱菔硫烷能够激活NCTC2544细胞内的Nrf-2通路、增加GSH合成,并且作用后的细胞活力提高3倍多[41]。
2.2 PARP抑制剂Kehe等[42]研究提出SM染毒可诱导HaCaT细胞凋亡,且具有SM剂量和时间高依赖性。实验中发现SM(1 mmol/L)染毒45 min后可明显激活细胞内PARP-1,6 h后消耗细胞内22% ATP,加入PARP可逆性抑制剂3-氨基苯甲酰胺(3 mmol/L)可直接完全抑制ATP耗竭,但18 h后不再起作用;同时研究还发现3-氨基苯甲酰胺并不影响SM染毒后的细胞活力,而是改变细胞的死亡方式,即增加凋亡、减少坏死[42]。烟酰胺等PARP抑制剂也能够降低SM毒性并减轻炎症反应,其作用机制是通过改变DNA的动力学过程,即阻止、延缓凋亡细胞转变为坏死细胞,进而减轻细胞毒性;但其并不能阻止DNA链的断裂,且保护作用与中毒严重程度有密切关系,对重度患者的治疗效果有限[43]。最近研究提示PARP抑制剂ABT-888对SM损伤具有一定治疗效果,不仅在SM染毒鼠耳模型中观察到ABT-888可减轻鼠耳的水肿、表皮细胞坏死等症状;而且其作用于SM染毒的HaCaT细胞后,可减慢NAD+/ATP耗竭及减少细胞凋亡和坏死[44]。
2.3 蛋白酶抑制剂目前文献已经证实蛋白酶抑制剂可以通过直接抑制蛋白酶活性,达到有效降低SM损伤的目的[16, 45-47]。非选择性MMP抑制剂伊洛马司他(ilomastat)是目前研究较多的蛋白酶抑制剂,研究已证实伊洛马司他可通过抑制MMP-9、MMP-2的表达发挥抗炎作用[45]。另外研究者发现抑肽酶(aprotinin)在减轻SM所导致的肺损伤方面也具有较好的效果[46];实验中在建立SM肺损伤模型前1 min给予抑肽酶(4.4 mg/kg,静脉注射)或伊洛马司他(25 mg/kg,腹腔注射),均可有效地减轻肺功能损伤和病理组织学改变,而抑肽酶的效果相对更好。另外,抑肽酶还可抑制IL-1α和总蛋白水平升高,而伊洛马司他可有效地抑制促炎因子IL-13的释放[46]。豚鼠在经气管滴入0.2 mg/kg SM前3 h时给予多西环素(doxycycline)30 mg/kg,24 h后测定MMP活性,发现其可显著降低明胶酶活性、减轻细胞损伤及炎症反应[47]。Kadar等[48]研究发现若长时间持续使用多西环素不仅可以有效减轻急性损伤,还可以减轻迟发性损伤。
2.4 抗炎药物抗炎药物也是研究较多的一种防治药物,目前用于SM损伤治疗或者实验研究的抗炎药物主要有类固醇类药物和吲哚美辛等非甾体类抗炎药物。地塞米松等类固醇类药物曾被报道用于SM眼睛损伤的治疗,地塞米松通过降低血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)、COX-2水平及减少炎性因子、炎性细胞的过度产生缓解炎症反应; 然而,考虑到此类药物的不良反应,不建议长期应用,仅在SM中毒后早期使用效果更好[48-49]。Arroyo等[50]在细胞水平上发现,类固醇类药物1α-25-二羟基维生素D3不仅可以通过抑制促炎因子IL-6与IL-8的表达促进SM中毒皮肤的愈合,而且可以减轻SM皮肤损伤后的色素过度沉着,且其不良反应较类固醇激素类药物明显降低。Casillas等[51]在小鼠的SM染毒鼠耳模型上证实了吲哚美辛可抑制COX-2,短时间内显著减轻鼠耳水泡症状,但72 h后则鼠耳水肿现象改善不明显。最新研究发现一种新型的吲哚美辛类抗胆碱能的前体药4388不仅可通过抑制COX及乙酰胆碱酯酶(acetylcholinesterase,AchE)的活性,而且还抑制NM的细胞毒性,减少创面厚度及疤痕形成;此外它还可通过抑制肥大细胞脱粒、抑制角质细胞的iNOS、COX-2表达及表皮细胞增殖,从而有效改善NM引起的急性皮肤损伤[52]。另外,Irene等[53]研究发现大麻素受体1、大麻素受体2、过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptor α,PPARα)以及酰胺水解酶(fatty acid amide hydrolase,FAAH)的表达可抑制内源性大麻素AEA和2-AG的表达;而应用FAHH抑制剂香草醇氨基甲酸酯可有效地缓解SM对小鼠皮肤的损伤,提示了FATT抑制剂有望成为一种有效改善SM损伤的抗炎药物。
2.5 其他除上述4类药物外还有多种方法可用于治疗SM引起的急慢性损伤,如生物治疗方法[表皮生长因子(EGF)、碱性细胞成纤维因子(bFGF)、粒细胞集落刺激因子(G-CSF)和干细胞治疗等]、免疫调节剂、钙离子抑制剂及益生菌等。
3 结论综上所述,由于SM能与机体内多种大分子物质发生烃化反应,损伤器官、组织较多,且其损伤的毒理机制极其复杂。目前尚无特效抗毒药物,临床上主要是对症治疗,但效果均不理想,因此研究SM损伤的毒理机制及特效防治药物仍是一个艰巨的任务。SM抗毒治疗必须采取多靶点、多方位的综合治疗方式。对于已发现的化学治疗药物,我们可以尝试联合用药以提高药效;同时注意新方法的探索,如今生物治疗的研究为SM中毒治疗开启了一个新篇章,将生物治疗与其他治疗方法联合应用也是一个理想的发展方向。但生物治疗也存在一定不足,如价格昂贵、存在一定排斥反应等,仍需进一步深入研究。
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