芥子气在第一次世界大战作为化学战剂使用，造成大量的人员死伤，是外国军队装备主要的毒剂之一。芥子气中毒机理虽早有研究，但迄今尚未完全阐明^〔1〕。目前对芥子气损伤机制主要集中在DNA 烃化和DNA 链断裂、多聚ADP 核糖聚合酶(PARP) 激活、谷胱甘肽耗竭、炎症反应、蛋白水解酶激活、细胞凋亡、钙紊乱、蛋白水解酶激活和免疫反应等几方面。为全面认识芥子气的损伤效应及制订相应的防治策略提供科学依据，本文对近年在芥子气损伤机制方面的研究进展综述如下。

人皮肤接触芥子气后，先出现迟发性红斑，随后表现为水肿，伴有炎症和细胞浸润，受损部位出现大水泡，愈合过程延长。目前已经建立起许多体内体外模型，用来解释其病理改变，并研究对皮肤产生糜烂作用的机制。芥子气是一种双功能烷化剂，它可以与包括脂类、蛋白质、DNA 在内的许多靶分子反应，形成分子内或分子间交联。尽管相对而言，其化学活性是非选择性的，但基底的角蛋白细胞更为敏感，起泡时，它们从基底膜附着区脱落。这些细胞死亡和脱落的程序及方式至今仍不明了。芥子气烃化DNA 鸟嘌呤导致无嘌呤核酸的形成，无嘌呤核酸内切酶将DNA 无嘌呤部位切除，于是DNA 链断裂。DNA 的烃化损伤是芥子气细胞毒性和基因毒性的物质基础，是引起机体广泛损伤的生物学基础^{〔1, 2〕}。目前认为，芥子气对哺乳细胞DNA 损伤信号传导通路工作模式是: 芥子气的烃化作用导致DNA 损伤后，共济失调毛细血管扩张症突变基因(ataxia- telangiectasia mutant，ATM) 被激活(具体机制仍不清楚) ，激活的ATM 能使许多底物发生磷酸化，包括组蛋白H2X 变形体(H2A，H2A histone family member) 和诸多相关蛋白。研究芥子气损伤后DNA 修复的初始反应细节，包括蛋白的激活顺序，蛋白复合物的形成时序，可以从根本上干预芥子气损伤后的一系列反应，提供药物研发的分子靶点^〔2〕。

芥子气的主要毒作用造成伴有水泡的严重皮肤损伤。芥子气的这种起泡特性与皮肤基底层角蛋白细胞增生导致的细胞死亡有关。Papirmeister 描述了芥子气引起的核酶PARP-1 的催化激活，现已被认为是高水平DNA 损伤中的主要事件，可能是芥子气导致细胞凋亡信号非常重要的部分^〔3〕。 PARP-1 的激活导致其底物β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(β-NAD + ) 大量消耗，继而ATP 缺乏，触发细胞坏死^〔2〕。不依赖于ATP 的细胞死亡调控机理可能也同时存在。用芥子气 (10 ～ 1 000 μmol /L) 处理角蛋白细胞样的正常人皮肤细胞系 (HaCaT) 细胞后，PARP 酶活性阻滞剂氨基苯甲酰胺(3AB) 能够抑制ATP 的耗竭，但以PARP-1 断裂、DNA 碎片为特点的细胞凋亡增加，坏死减少^〔4〕。

PARP 对不同种细胞的死亡方式的不同作用可能决定了水泡发生的严重程度。与PARP(+ / + ) 细胞比较，芥子气处理的PARP(-/-) 小鼠真皮成纤维细胞凋亡增加，表现为核小体间DNA 断裂增加，半胱氨酸蛋白酶－ 3(caspase-3) 降解并激活，annexin V 阳性，而PARP(+ / + ) 小鼠细胞有剂量依赖性死亡的升高。在PARP(-/-) 成纤维细胞中转染人 PARP 可抑制细胞凋亡。芥子气作用后，PARP(-/-) 和 PARP(+ / + ) 小鼠真皮角蛋白细胞均出现细胞凋亡标志物，而成纤维细胞则没有^〔5〕。

有学者在体外条件下研究角蛋白细胞附着力、内皮单层细胞通透性、PARP 活化与芥子气引发水泡的关系，发现250 μmol /L 芥子气作用2 ～ 3 h 后，角蛋白细胞形态和微丝构架明显改变，细胞附着力明显降低; 500 μmol /L 芥子气引起内皮细胞PARP 活性增加4 倍，内皮细胞单层的通透性升高，而角蛋白细胞PARP 活性增加2 ～ 3 倍。芥子气导致2 种细胞 NAD + 剂量依赖性降低; ≥500 μmol /L 芥子气作用后，ATP 水平降低将近50%。高致起泡剂量芥子气(≥500 μmol /L) 发挥效应依赖于NAD 缺乏、PARP 激活和随后的ATP 依赖性微丝构架改变。低剂量芥子气致水泡发生可能不依赖于ATP 缺乏(如细胞凋亡和芥子气直接介导的基底膜完整性的损伤)^〔6〕。

炎症是芥子气暴露后组织损伤的主要表现。芥子气急性暴露和暴露的远期效应均存在炎性因子和炎性细胞的升高，相应地进行抗炎治疗显示不同程度的疗效，这也证实了炎症反应在芥子气损伤中的作用。

自由基介导的肿瘤坏死因子(TNF-α) 级联的激活可能是芥子气造成肺部炎症的主要通路。TNF-α 经过促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPKs) 的磷酸化诱导activator protein 1(AP-1) 的激活。成年豚鼠气管内注入不同剂量的芥子气，在不同时相点被处死。结果显示，芥子气暴露可造成肺纤维化。0.5 mg /kg 半芥子气中毒 1h，MAPKs 家族(ERK1 /2，p38 和JNK1 /2) 达到最高活化状态，引起AP-1 转录因子的激活同时伴随Fos，ATF 和Jun 家族蛋白的增加。半芥子气暴露可造成TNF-α 的聚集，从而激活MAPK/AP-1 信号通路和细胞增殖，表现为细胞周期蛋白D1 和细胞分化标记增殖细胞核抗原(PCNA) 蛋白水平上调^〔7〕。在细胞模型上，炎症反应同样被证实是介导损伤的重要病理过程。细胞应激时，p38 MAPK14 通过磷酸化激活，上调细胞因子。芥子气处理培养的人表皮角蛋白细胞使p38 MAPK14 磷酸化增加，同时其上游的激酶MKK3 /6 磷酸化。 培养上清中白细胞介素8，6 (IL-8、IL-6) 、肿瘤坏死因子 (TNF-α) 和白细胞介素1β(IL-1β) 增加。p38 MAPK 抑制剂SB203580 可使其分泌降低，提示p38 MAPK 激酶芥子气参与人的胚胎肾细胞(HEK) 细胞因子的产生，抑制该通路可能减轻皮肤的显著炎症反应^〔8〕。在芥子气诱导的炎症反应中，细胞因子的作用倍受关注。有文献报道，细胞因子在芥子气介导的急慢性炎症中有重要作用^〔9〕。小鼠耳芥子气暴露后发现IL-1β、人粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF) 和 IL-6 mRNA 水平明显增加，IL-1α mRNA 水平在暴露后不增加; IL-1β 和IL-6 蛋白在上皮细胞，炎性细胞，毛囊，皮脂腺，真皮微血管，平滑肌和皮肤结缔组织表达; 芥子气暴露后多个区域IL-1β 和IL-6 的染色强度明显增加，真皮的炎性细胞内阳性染色的GM-CSF 的免疫蛋白也明显增加; 急性炎症细胞聚集在鼠耳血管床，伴有TNF-α 强阳性的中性粒细胞; 表明皮肤接触芥子气早期出现炎性细胞因子表达增加，了解细胞因子改变有助于认识芥子气损伤发病机制和药理学的发展对策^〔10〕。

谷胱甘肽在细胞内有着重要的功能，可以调节基因转录和细胞凋亡。芥子气的部分细胞毒机制是基于芥子气导致的谷胱甘肽消耗。谷胱甘肽的消耗可能导致氧化应激和线粒体呼吸链损伤。芥子气可以直接烃化谷胱甘肽，也可以因为 DNA 的破坏致使NAD 耗竭从而使谷胱甘肽氧化增加。谷胱甘肽损耗的结果是脂质过氧化，使膜流动性改变，膜蛋白功能丧失，膜完整性丧失和细胞死亡。Gross 发现，淋巴细胞暴露于芥子气后，细胞内谷胱甘肽的水平随暴露时间的延长不断下降。芥子气暴露会引起人皮肤成纤维细胞活力及谷胱甘肽 (GSH) 含量发生剂量和时间依赖性降低，而N-乙酰半胱氨酸能提高细胞活力，降低乳酸脱氢酶(LDH) 漏出率，从而提高胞内GSH 水平，保护细胞免于生成氧自由基^〔11〕。用丁硫氨酸硫酸亚胺(BSO) 预处理，使细胞GSH 衰竭能增加细胞对芥子气细胞毒作用的敏感性，乳酸脱氢酶(LDH) 漏出率同时增加。这些结果显示，GSH 可对抗芥子气引起的氧化应激，对细胞起到保护作用，其水平与LDH 成剂量和时间依赖性负相关^〔12〕。

芥子气暴露导致血、肝、肺还原型谷胱甘肽(GSH) 明显减少，肝肺氧化型谷胱甘肽(GSSG) 含量明显增加。给大鼠腹膜内注射芥子气(1 ～ 80 mg /kg) ，大鼠的体重随着芥子气注射剂量的增加而呈依赖性降低。芥子气剂量＜ 10 mg /kg 时，2 ～ 7 d 后，肝脏中超氧化物歧化酶(SOD) ，过氧化氢酶(CAT) ，谷胱甘肽S －转移酶(GST) 激活水平明显升高，而14d 后这些参数水平回落。表明芥子气诱导的损伤呈时间和剂量依赖性，高剂量(＞10 mg/kg) 时通过削弱抗氧化物防御系统来激活氧化应激反应，导致大鼠肝脏和脑部脂质过氧化^〔13〕。

芥子气引起的水疱形成与蛋白酶的释放有关，特别是人基质金属蛋白酶(MMP) 。正常时非激活状态的MMP-2(gelatinase A) and MMP-9(gelatinase B) 在组织损伤时会被激活。两者可以降解IV 型胶原和其他基底膜(分隔表皮和真皮) 部位的重要成分。芥子气暴露后，单核细胞MMP-2、 MMP-9 转录和释放增加，MMP-9 表达和释放在肺细胞中也出现增加; 成纤维细胞中组织型金属蛋白酶抑制剂增加; 其他细胞或无明显变化或下调MMP 和TIMP 表达^〔14〕。小鼠耳朵暴露于97.5 mmol /L 芥子气，伤后MMP 活性随时间升高。 在168 h MMP-9 mRNA 水平升高27 倍，蛋白升高9 倍。 MMP-2 mRNA 或蛋白未见升高。提示MMP-9 在芥子气引起的损伤中可能起一定的作用^〔15〕。

豚鼠气管滴注染毒芥子气24h 后，支气管灌洗液中MMP 明胶酶活性升高，TIMP-1 和TIMP-2 水平未变。原位酶谱法(zymography) 可见广泛消溶区域，提示蛋白水解活性加强。 明胶酶抑制剂多西环素预处理，组织中明胶酶活性降低，炎症反应降低，内皮损伤降低。上述结果表明，TIMP 可能不足以对抗增加的明胶酶活性，MMP 在芥子气引起的呼吸道损伤中发挥了一定的作用^〔16〕。0.2 mg /kg 芥子气气管内注入24 h 后，支气管肺泡灌洗液中炎性细胞增加(巨噬细胞为主) ，白蛋白和MMP 活性增加，两者间明显相关。MMP 活性与巨噬细胞数目明显相关。酶谱法分析气管上皮培养上清证实这些细胞在刺激后产生MMP。结果提示，芥子气的呼吸道中毒时，炎性细胞和上皮细胞的MMP 与上皮脱落有一定关系^〔17〕。

芥子气引起的DNA 烃化是引起凋亡的主要因素，包括单功能芥子气－ DNA 加合和DNA 交连，DNA 烃化阻滞了DNA 复制，导致细胞周期停滞，DNA 单双链断裂。芥子气引起的 DNA 损伤使PARP 激活，消耗细胞的NAD(+ ) 和ATP，引起细胞坏死。

皮肤暴露于芥子气蒸气8 min，观察到3 ～ 48 h 内基底细胞早期以凋亡为主，晚期以坏死为主，这2 种细胞死亡模式可重叠^〔18〕。芥子气暴露后，氧化性应激是皮肤损伤的重要因素。与氧化性应激相联系，DNA 修复和炎症引起细胞内事件而导致细胞凋亡和坏死。正常人支气管上皮细胞(NHBE) 和小气道上皮细胞(SAEC) 暴露于芥子气(50 ～ 300 μmol /L) ，caspases-8 和caspases-3 在2 种细胞中均发生降解加工和激活，说明该细胞中凋亡的死亡受体途径被诱导。NHBE 敏感性极高，其caspase-3 和caspases-8 的活性分别是人肺小气道上皮细胞中的2 倍和10 倍。芥子气激活NHBE 的而非 SAEC 的caspase-9，提示线粒体途径在该细胞起作用^〔19〕。 有研究发现，芥子气也可作用于淋巴细胞的G1 /S 调控点即限制点，影响DNA 复制，使细胞通过G1 /S 调控点的条件无法满足，导致细胞周期阻滞，同时将激活某种或某些机制启动程序性细胞死亡，从而引起细胞凋亡。

有研究显示，芥子气暴露后可以引起组织细胞中基因表达的变化，不仅肯定了既往其他非高通量分析的结果，而且发现了一些新的基因变化^〔20〕。用Atlas Mouse 5K DNA 芯片研究芥子气引起的鼠耳皮肤基因转录改变，发现低剂量条件下 (0.04 mg) 芥子气主要引起炎症、凋亡和细胞周期调控相关的基因改变; 中等剂量组(0.08 mg) 芥子气所导致的炎症和细胞周期调控基因表达变化更为明显; 高剂量组(0.16 mg) 芥子气导致6 个全程变化的基因，但这些基因不直接影响炎症、凋亡和细胞周期^〔21〕。鼠耳暴露于芥子气后，细胞因子－ 细胞因子受体相互作用，细胞粘附分子和造血细胞系在芥子气染毒后发生了明显变化。变化最明显的生物学过程包括免疫反应、炎症反应和细胞趋化^〔22〕。人上皮角蛋白细胞暴露于靡烂和亚靡烂剂量的芥子气4 h，2% 的转录组发生变化。60 个基因表达明显变化，包括烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH) 脱氢酶III，DNA 损伤诱生蛋白45(growth arrest and DNA damage inducible protein 45，Gadd45) 和泛素的上调，I 型角蛋白 14，烯醇酶(alpha-enolase) 和钙牵蛋白(caltractin) 的下调^〔23〕。因此，芥子气损伤后，组织细胞中基因表达改变可能在其病理变化中发挥重要作用。

多个实验室利用不同的细胞株检测了芥子气对细胞内钙的影响。芥子气在小鼠成纤维B77 细胞、小鼠神经细胞瘤 NG108-15 和人的角质上皮细胞中可诱导细胞内自由钙离子增加，而且芥子气的细胞毒性作用与其诱导细胞内钙离子增加的时程具有一定的相关性。给予细胞可渗透性的钙离子螯合剂乙酸甲酯衍生物，不但可以阻挡细胞内钙离子的增加而且可有效抑制芥子气诱导的细胞毒性^〔24〕。 有研究显示，钙调蛋白和钙神经素均参与了芥子气的细胞毒性作用^〔25〕。芥子气诱导的上皮角蛋白细胞钙调蛋白的表达上调，其反义RNA 使细胞凋亡标志蛋白出现了不同程度的抑制^〔26〕。钙调蛋白的抑制剂均可在不同程度抑制芥子气诱导的上皮细胞凋亡相关蛋白如caspases 和PARP 蛋白的激活。也有研究显示，芥子气中毒病人的皮肤中钙调蛋白可诱导皮肤损伤出现过度增生。因此，芥子气诱导的细胞内钙离子增加和细胞内钙稳态的破坏可能在其细胞毒性中扮演重要的角色^〔27〕。芥子气中毒后，细胞膜上的Ca²⁺-ATP 酶有1 个或多个基团被烃化，使得Ca²⁺ 的外排受阻，细胞内的Ca²⁺ 浓度大幅度升高。游离的Ca²⁺ 即与胞内的钙调蛋白(CaM) 结合，Ca²⁺-CaM 复合物可激活多种钙依赖性的降解酶，例如磷脂酶A2、钙激活蛋白酶系统、核酸内切酶等。这些酶的活化引起细胞膜、细胞内骨架和核酸的分解，最终导致细胞的死亡。同时，Ca²⁺浓度的升高还能够损伤线粒体，使氧化磷酸化也发生障碍。

虽然芥子气的半衰期较短(在生理盐水中为19 ～ 24 min，血液中为30 ～ 60 min) ，但是芥子气中毒却可引发慢性支气管炎，哮喘，支气管扩张和肺纤维化等慢性疾病。因此，芥子气除了在机体中可引发最初0.5 ～ 12 h 的炎症反应，可能还存在着继发性的反应引起组织产生慢性反应，这种继发性的慢性反应可能就是芥子气可激活机体的免疫系统。

临床和组织病理学检测芥子气皮肤染毒体内实验和体外实验显示，芥子气可诱导炎症介质，单核细胞和巨噬细胞分泌的肿瘤坏死因子增加，肿瘤坏死因子可进一步诱导IL-8 的分泌，肿瘤坏死因子，IL-8 和干扰素在淋巴细胞增生性疾病中扮演了重要的作用。而且在某种程度上芥子气诱导的淋巴结中IL-8 的表达增加促进中性白细胞的浸润在芥子气所致动物皮肤损伤中发挥了一定的作用。外源TNF-α 的表达可增加芥子气诱导的角蛋白细胞IL-8 和IL-6 的表达，细胞毒性增强; 外源IL-10 表达可抑制上述反应^〔28〕。

一些高活性的化学物质可引起体内或体外免疫反应增强，皮肤发生炎症反应、变态反应性哮喘和自体免疫反应性疾病等。有胸腺的豚鼠皮肤染毒芥子气，可诱导豚鼠CD⁴⁺ 和 CD⁸⁺ T 细胞浸润，远隔组织如肺、淋巴结等促炎细胞因子和细胞趋化因子如(TNF-α，IFN-γ，IL-8) 的表达增强。芥子气可诱导特异性迟发型高敏反应，出现的脾肿大、淋巴结病和一些组织增生与此有关^〔29〕。提示烃化剂芥子气可能会修饰体内抗原，引起抗原特异性的免疫应答。芥子气可激活免疫系统，诱导T 细胞进入皮肤，迟发型变态反应，炎症因子的渗出等，正是芥子气这种可以修饰细胞抗原导致“自我修饰”的免疫应答，导致潜在的长期损伤。这些作用也许可更好地解释芥子气中毒后所引起的一些迟发性后遗效应。

芥子气对组织细胞的损伤作用较复杂，中毒作用机制繁多，但是烃化损伤可能是其众多中毒作用机制的基础。芥子气烃化核酸、蛋白质、引起后续的细胞毒性作用如炎症因子和炎性细胞、蛋白水解酶释放等，诱发细胞凋亡最终导致细胞死亡，机体也相应表现出皮肤起疱、炎症、水肿、呼吸困难等一系列症状。未来的研究中以该作用机制为靶点的药物防治研究也将进一步加强^〔30〕。