多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是一类广泛分布于环境介质的可致癌化合物,人们在日常生活中可能不同程度地接触PAHs,因此各个国家都非常重视人体对PAHs的暴露情况。目前,国内外对PAHs暴露的生物标志物研究最常用的方法是检测尿样中的1-羟基芘(1-hydroxypyrene,1-OHP)^{〔1, 2〕}。本研究就卷烟烟气中多环芳烃暴露的生物标志物研究现状及意义作一综述,并将卷烟烟气多环芳烃暴露与职业多环芳烃暴露进行对比。

1 PAHs暴露的生物标志物研究背景及意义

PAHs是一类2个或2个以上苯环连接的碳氢化合物的总称,其具体组成非常复杂,2006年有学者统计卷烟主流烟气中的PAHs类化合物为539种,其中12种可能致癌^〔3〕。烟气中PAHs暴露在人体尿液中的标志物形态、浓度与细胞和组织代谢过程相关^〔4〕,反映了单个或多个器官系统的代谢情况,因此烟气中PAHs暴露的尿液中生物标志物是烟气有害成分影响人体健康的重要依据,研究烟气中PAHs暴露生物标志物有助于更好地了解人体对PAHs的暴露浓度和代谢情况,更具体地了解吸烟与健康的关系。

流行病学研究结果显示,吸烟是导致多种疾病的重要危险因素^〔5〕,但是这些统计学结果是对烟草烟气中所有有害成分的综合统计,PAHs暴露的流行病学统计结果主要来自各种职业和环境PAHs高暴露人群的统计学调查。2009年,Xia等^〔6〕通过测定尿肌酐校正后的4种羟基多环芳烃(hydroxy polycyclic aromatic hydrocarbons,OH-PAHs)研究了PAHs暴露的尿代谢产物与精液质量关系,发现PAHs暴露能够降低人类精液的质量。Choi和Wu等^{〔7, 8〕}研究发现,低浓度PAHs暴露能降低优生质量和少儿早期认知能力的发展,不同人群对比显示非洲裔美国人更加敏感,儿童比成人更易受到PAHs暴露影响。

本研究主要以苯并芘(benzopyrene,BaP)、苯并蒽(benzoanthracene,BaA)和艹屈(chrysene,CHR)作为卷烟烟气中PAHs的代表物进行论述。

2 PAHs代谢途径 2.1 PAHs的吸收

PAHs在空气中的分布状态、分子量大小与其在人体内的呼吸、代谢途径有着密切关系。芘和苯并芘主要的生物转化位点应该是肝脏^〔9〕,因为肝脏有许多代谢PAHs所需的转化酶,但当吸入的浓度较低时,PAHs的代谢主要在肺部进行^{〔10, 11〕}。

2.2 PAHs的代谢

研究证明,PAHs的代谢产物主要包括环氧化PAHs、二氢二醇PAHs、一羟基PAHs、多羟基PAHs等,在尿样中检测到的PAHs代谢产物多是水溶性较好的一羟基或二羟基的葡糖苷酸、磺酸酯结合物。通常情况下,2个或3个环的PAHs代谢产物主要从尿液中排出,而更多环的PAHs代谢产物主要从粪便排出。多环芳烃的代谢主要分为氧化和葡糖苷酸化或磺酸酯化2个相阶段进行,在Ⅰ相代谢中多环芳烃被细胞微粒体中的P450混合功能氧化组酶氧化为活性的环氧化物中间体^〔12〕,然后水解生成更多结构更复杂的OH-PAHs,在Ⅱ相代谢中,OH-PAHs被葡糖苷酸酶和磺基转移酶分别转化为相应的葡糖苷酸和磺酸酯,然后排出体外[11,1 3]。

目前研究PAHs暴露生物标志物最常用和有效的是1-OHP^{〔14, 15〕}。吸入性PAHs暴露生物标志物-1-OHP的代谢排出主要遵循2种模式:主要模式半衰期大约是20 h (6~35 h),次要模式半衰期大约是20 d,一般2 d后达到基线水平。Carmella等^〔16〕对17位吸烟者尿样中的8种有毒代谢产物进行研究发现,在戒烟后志愿者尿样中1-OHP的半衰期差异很大。2007年,Huang等^〔17〕经过实验测定和生理动力学研究芘的代谢后得出中国工人尿样中1-OHP的半衰期是29 h,1-OHP的代谢在4 d工作时间中存在夜间积累。

3 PAHs在尿样中的生物标志物和检测

Singh等^〔18〕检测了人尿样中1-OHP、1-OHP葡糖苷酸结合物和1-OHP磺酸酯,其中1-OHP葡糖苷酸结合物占尿样中1-OHP总量的80%~100%,磺酸酯形式占总量的5%左右,而游离的1-OHP仅占总量的0%~15%。

3.1 芘在尿样中的生物标志物检测

主流烟气中芘的含量为43~270 ng/支^{〔19, 20〕},是PAHs中的非致癌性主要成分之一,代谢后在尿样中主要以1-羟基芘葡糖苷酸和芳基磺酸酯形式排出^〔9〕,在尿样中的浓度较高,检测也比较容易,所以1-OHP是PAHs暴露的代表性生物标记物。1985年,Jongeleelen最先测定了尿样中的1-OHP,得出摄入的芘与尿样中1-OHP的剂量-依赖关系明显,之后又用β-葡糖苷酸酶-芳基磺酸酯酶对尿样酶解后,经固相萃取小柱富集,用高效液相色谱-荧光检测器(high-performance liquid chromatography-fluorescence detection,HPLC-FLD)检测了1-OHP,标志着在多环芳烃暴露生物标志物-1-OHP检测方面做出了开创性工作。至今,1-OHP是使用最广泛和有效可靠的多环芳烃暴露生物标志物。

目前,尿样中1-OHP (包括其他OH-PAHs)的检测方法主要有HPLC-FLD法、同步荧光检测法、酶联免疫吸收法、免疫吸收-高效液相色谱法、气质联用法、液质联用法以及激光诱导荧光、毛细带电泳法等,其中应用最多的是HPLC-FLD法,一般是用β-葡糖苷酸酶、芳基磺酸酯酶、酸、碱等中的1种或2种对尿样中1-羟基芘葡糖苷酸和1-羟基芘磺酸酯进行酶解或水解后,用反相预柱富集,再用HPLC-FLD检测。最初,该法在检测低暴露或非职业暴露人群时,由于尿样基质干扰大,检测限过高,测定结果不理想。但最近几年由于反相C18柱和氨基柱等分离技术和方法的进步该不足之处被成功克服。

2000年,Li等^〔20〕用改进的HPLC-FLD法对美国加利福尼亚Riverside市无职业PAHs暴露且有1年以上烟龄的吸烟人群尿样进行了分析,根据吸烟数量吸烟组志愿者被分为低中高3个组,测定结果显示吸烟者尿样中的1-羟基芘/肌酐值为0.20~1.16 μmol/moL,非吸烟者尿样中的1-羟基芘/肌酐值为0.03~0.27 μmol/moL,这与Chetiyanukornkul等^〔21〕的研究结果相近。

2006年,Chetiyanukornkul等^〔22〕将酶解后的尿样分别经过C18小柱和硅胶小柱富集纯化,用HPLC-FLD法分析了泰国3种职业不吸烟者尿样中的10种OH-PAHs,检测限明显降低。2009年,Hagedorn等^〔23〕用类似方法对不同盒标焦油值的卷烟抽吸者尿样中6种OH-PAHs进行了测定和分析,1-OHP的定量限达0.01 ng/mL,该测定方法适用于不同焦油释放量卷烟的PAHs暴露生物标志物研究,测定结果的数据分析显示,每天吸23支盒标焦油值为10 mg/支卷烟的吸烟者尿样中1-OHP浓度中位值为0.37 μg/24 h,而不吸烟者尿样中1-OHP浓度中位值为0.18 μg/24 h。

3.2 BaP在尿样中的生物标志物检测

通常BaP被用来表征PAHs的致癌风险情况,同时可以根据BaP与PAHs的相关性反映PAHs的暴露风险值,因此BaP的主要代谢产物3-羟基苯并芘(3-hydroxy benzopyrene,3-OHBaP)可以更直接反映PAHs的暴露情况和致癌风险,通过监测代谢物中的3-OHBaP,可得到BaP的实际暴露情况信息,所以3-OHBaP被许多检测工作者作为PAHs暴露的生物标志物。

3-OHBaP主要以葡糖苷酸和磺酸酯的形式从尿样中排出,检测方法主要是HPLC-FLD法或气质联用法,最近几年也有液质联用法的报道^{〔24, 25〕}。研究显示,职业暴露工人尿样中3-OHBaP含量为1~14 ng/L,吸烟者尿样中含量为0.1~0.8 ng/L,非吸烟者尿样中含量为0~0.2 ng/L^{〔26, 27〕}。

3.3 BaA和CHR在尿样中的生物标志物检测

BaA在郊区空气中的含量为0.42~3.69 ng/m³,在交通繁忙区空气中的含量为1.24~5.62 ng/m³,与BaP的含量相当^〔28〕。BaA的主要代谢产物是3-羟基苯并蒽(3-hydroxy benzoanthracene,3-OHBaA),在尿样中主要以3-羟基苯并蒽葡糖苷酸和磺酸酯形式存在。

Gündel等用双柱切换HPLC-FLD法对19位防火材料工人下班后尿样中的3-OHBaA和3-OHBaP同时进行了检测,经过酶解和C18固相萃取小柱纯化后尿样中3-OHBaA的检测限为8 ng/L,3-OHBaP的检测限为6 ng/L,回收率102%~124%,尿样中3-OHBaA的含量为15~1 871 ng/g肌酐,3-OHBaP的含量为3~198 ng/g肌酐,但该方法不能同时检测3-OHBaA、3-OHBaP和1-、2-、3-羟基艹屈^〔26〕。

CHR的代谢产物比较多,包括1-、2-、3-、4-、6-羟基艹屈等,而且尿样中浓度差别不大,在尿样中主要以羟基葡糖苷酸和磺酸酯形式存在,检测方法主要是HPLC-FLD法和气质联用法,这方面的研究相对较少。

2009年,Suwan-ampai等^〔29〕采用横断面分析法对1999-2002年美国健康与营养调查研究积累的数据进行了分析,综合考虑血清中可替宁含量、吸烟状态和家庭吸烟人数后对参与者的烟气暴露情况分为无暴露、被动暴露和主动暴露,对尿样中9种PAHs的23种OH-PAHs浓度进行了分析,经过年龄、性别、种族、受教育程度、家庭收入和烘烤食物消费量校正后得出:与无烟气暴露者比较被动和主动烟气暴露者尿样中OH-PAHs的浓度分别增加了1.1~1.4倍和1.5~6.9倍。3.4职业PAHs暴露情况尿中1-OHP浓度可用于职业高暴露人群的风险评价,许多研究者试图通过尿样中1-OHP的浓度来评价工人的肺癌风险,如铝厂、炼焦厂、沥青厂、耐火石材料厂、高速路收费处、石化工厂等受PAHs污染较为严重的职业人群,但关于生物暴露阈值尚无标准。2001年,Jongeneeleen等^〔30〕建议将焦炉工人肺癌风险职业暴露极限值定为2.3 μmol 1-OHP/moL肌酐(4.4 μg/g),而在铝厂则为4.9 μmol/moL肌酐。Liu等^〔31〕的研究显示铸造工人尿样中1-OHP的浓度为(0.322 ± 0.289)μg/g肌酐,而对照组为(0.178 ± 0.289)μg/g肌酐。此数值远高于卷烟烟气中PAHs暴露吸烟者尿样中的1-OHP浓度^〔23〕。

4 PAHs在尿样中生物标志物的影响因素

文献报道指出非吸烟者的尿样中1-OHP的含量差异很大,可能是由于环境和饮食等的影响,但大部分研究结果显示吸烟者的尿样中1-OHP的含量是非吸烟者的2倍多,也有人指出尿样中1-OHP的含量可能也与致癌物质代谢酶的基因多态性有关^〔19〕。

2007年,Melikian等^〔32〕的研究显示,在评价对烟气有害物质的暴露强度时,必须考虑随着烟气摄入量的增加,通过尿排出某些生物标志物的速度可能会降低。

5 小结与展望

综合关于吸烟者、被动吸烟者、不吸烟者和职业PAHs暴露工人尿样中1-OHP的研究结果显示:(1)职业PAHs暴露工人尿样中1-OHP浓度远高于每天消费 < 20支卷烟吸烟者尿样中1-OHP浓度,大约是每天消费> 40支卷烟吸烟者尿样中1-OHP浓度的2倍;(2)吸烟者尿样中1-OHP的浓度是不吸烟者的1.5~6.9倍,每天 < 20支的吸烟者与不吸烟者尿样中1-OHP的浓度相近;(3)被动吸烟者尿样中1-OHP的浓度是不吸烟者的1.1~1.4倍。

对于职业PAHs暴露者,尿样中1-OHP浓度高的主要原因是职业PAHs暴露,此时来自卷烟烟气中PAHs暴露的比例相对较小;对于环境和低水平PAHs职业暴露者,尿样中1-OHP主要来自卷烟烟气等中PAHs暴露,但吸收和代谢等存在个体差异,不同国家、饮食和行为等诸多因素也会影响1-OHP的浓度。总之,1-OHP与PAHs暴露有较好的相关性,且灵敏而实用,今后仍将被用于PAHs暴露情况的监测,为相关减害工作提供科学依据。