砷是一种在自然界广泛存在，并且有类金属特性的元素。他可在肺组织内蓄积，进而促进肺癌的发生发展^[1]。目前，虽然人们对砷致肺癌的发病机理尚不完全清楚，但随着流行病学调查和实验室工作的开展，有关砷致肺癌的发病机制的研究已取得一些成果，下面就目前有关砷致肺癌的研究进展做一综述。

1 砷致肺癌的流行病学调查

世界多个地区不断发现饮水高砷暴露，如：印度、中国、日本、越南、孟加拉国、澳大利亚、墨西哥、智利等^[2]。调查研究显示，全球约27亿人的饮用水砷含量超过50 μg/L，约50亿人的饮用水超过10 μg/L^[3]。Chen等^[4]发现肺癌发病风险(RR)与砷暴露浓度存在一定剂量—反应关系。当砷暴露浓度在10 ～100 μg/L时，肺癌发病风险没有明显的变化，但当砷暴露浓度达到100 ～300 μg/L时，肺癌发病风险(RR)显著增加，差异有统计学意义。研究者对台湾地区调查显示，环境中砷含量超过0.35 mg/L时，肺癌的发病率显著上升^[5]。医学工作者在对儿童进行肺功能评价时发现胚胎期或婴幼儿早期发生饮水型砷暴露的个体，肺功能相较非暴露儿童差^[6]。Todd等^[7]研究发现，职业性慢性砷暴露也可以导致肺上皮细胞癌基因激活，从而发生恶性转化。

2 砷致肺癌的实验研究 2.1 动物实验

随着实验技术的不断发展，动物实验在砷化物致肺癌的机制研究中发挥了重要作用。李晗君等^[8]研究发现，小鼠肺组织中的砷含量在低浓度长时间的暴露条件下，可蓄积到一个较高水平，对机体产生一定损伤，提示砷可在肺内蓄积。Andrew等^[9]用砷含量分别为0、0.1、1.0和50.0 μg/L的饮用水喂养小鼠，5周后发现小鼠肺内基因序列发生了明显的改变。Waalkes等^[10]研究发现，终身饮用含亚砷酸钠水的CD1小鼠会发生肺肿瘤，并且该实验中所用亚砷酸钠剂量与人体发生砷暴露的常见剂量一致。提示长期低剂量的砷暴露也有可能诱导人体发生肺部疾病。然而动物实验因种属不同而存在差异，体外细胞实验应用更广泛。

2.2 体外细胞实验

Hong等^[11]研究表明，砷化物对人肺成纤维细胞(human pulmonary fibroblast cells，HPF)有较为明显的遗传毒性和细胞毒性。尹仕伟等^[12]用二甲基胂酸(DMA)处理人胚肺成纤维细胞(HELF)，发现DMA可抑制HELF细胞增殖，损伤HELF细胞DNA，引起HELF细胞周期紊乱和HELF细胞凋亡。Chang等^[13]发现用低剂量的砷化物连续多次处理人正常支气管上皮细胞，可诱导其向癌症干细胞CD61转化，为砷致肺癌进一步提供了实验依据。尽管体外细胞实验存在一定的局限性，但其对揭示砷的致癌机制具有重要推动作用。

3 砷致肺癌的分子机制研究

目前对砷致癌机制的研究所支持的理论有：氧化应激反应增强、诱导染色体畸变、DNA氧化损伤及甲基化异常和干扰信号传导通路。流行病学研究发现暴露于相同环境下的个体并不是都患病，这就提示除环境因素外，个体的遗传易感性在砷中毒的发病过程中可能起重要作用。因此近几年对砷化物致肺癌的易感性生物学标志物的研究逐渐兴起，下面就砷致肺癌分子机制的各分论点展开以下综述。

3.1 砷与氧化应激

陈黎媛等^[14]对贵州燃煤型砷中毒病区研究发现，该病区患者血清超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)活力、尿8-羟基脱氧鸟嘌呤(8-OHdG)含量均下降，说明砷化物可导致机体抗氧化系统失衡。Chen等^[15]研究表明砷化物还可以与其他致癌物(苯并芘)一起协同作用于人肺腺癌细胞，升高细胞内活性氧簇并且降低GSH水平和超氧化物歧化酶活性。Li等^[16]通过实验研究发现人支气管上皮细胞氧化应激产生的ROS在砷诱导的EZH2的磷酸化中起重要作用。EZH2是一个甲基化酶，可抑制某些基因的转录从而起到促进肿瘤发生的作用。上述实验结果提示氧化应激可能是砷致肺癌的发病机制之一。

3.2 砷诱导染色体畸变

医务工作者对慢性砷中毒患者入院后行骨髓染色体检查时发现染色体异常^[17]。长期慢性砷暴露可增加细胞微核率。微核为癌前病变和癌变组织的共同特征。微核发生率的增加往往提示接触异倍体剂(如砷)的人群有染色体损伤迹象。鱼的红细胞微核诱发实验是测定水中基因毒性的敏感指标，Kumar等^[18]研究发现水中砷暴露的鲤鱼和金鱼的红细胞微核率显著增加，并且和水中砷浓度呈剂量—反应关系。Coelho等^[19]对长期生活在矿区的人群调查发现，砷暴露人群的OGG1 rs1052133，ERCC1 rs3212986染色体畸变率高于对照组，ERCC4 rs1800067的微核率和染色体畸变率均高于非暴露人群。

3.3 DNA甲基化异常

DNA甲基化修饰在肿瘤形成和发展中扮演重要角色，DNA甲基化状态改变可以导致基因不正常重组和导致一些基因的转录失调。Van等^[1]在进行砷化物致肺癌的机制研究时发现，不同浓度的砷化物可导致人肺腺癌A549细胞DNA不同程度的甲基化异常并引起相关蛋白的表达异常。p53基因是目前研究最为广泛和系统的抑癌基因之一，燃煤型砷污染可以导致人体p53基因启动子区高甲基化、第5外显子低甲基化和突变，从而诱导肿瘤发生^[20]。王丽芳等^[21]发现燃煤型砷污染还可导致人体p15基因缺失和启动区高甲基化，导致该基因失活，使其失去对细胞周期的负调控作用，进而引起细胞周期调节失控，诱导肿瘤的发生。砷化物能使一些DNA修复基因发生甲基化，在氧化损伤DNA的同时抑制DNA的自身修复功能。如陈黎媛等^[14]研究发现砷暴露可导致人DNA修复基因8-羟基鸟嘌呤DNA糖苷酶1基因(hogg-1)高甲基化。

3.4 干扰DNA修复过程

切除修复交叉互补基因1(excision repair cross-completion1，ercc1)是DNA修复的重要因子之一，研究发现燃煤砷污染可致人体erccl基因第2外显子区高甲基化，抑制DNA修复^[22]。Sykora等^[23]用低剂量砷化物刺激GM847和HaCaT细胞，发现砷化物下调DNA聚合酶β和DNA损伤修复基因apel的表达，阻断碱基切除修复途径(base excision repair，BER)。也有相关研究表明，砷是通过抑制参与DNA修复的蛋白酶类来实现其抑制作用的。人类细胞DNA修复系统中涉及多种具有特殊功能的修复蛋白酶，这些修复蛋白酶类属锌依赖蛋白，均含有锌脂蛋白功能区，是与DNA结合的特异区域。砷可识别并与锌脂蛋白功能区结合形成加合物，或由于脂质过氧化物(LPO)导致巯基与二硫化物之间的置换，从而抑制这些信号传导和修复蛋白酶类的活性^[24]。

3.5 细胞信号通路改变

细胞恶性转变是一个包含了多种转录因子和信号通路的复杂过程。MAPK/ERK通路主要转导导致细胞分化和增殖的生长因子信号，诱导细胞增殖，具有直接引起细胞癌变的作用。Ling等^[25]研究发现慢性砷暴露诱导HELF细胞产生的活性氧可以激活ERK/NF-κB信号通路，促使miR-21表达增加。miR-21是唯一在多种实体肿瘤肺癌、胃癌、前列腺癌、结肠癌、食管癌、胰腺癌等中高表达的miRNA。JNK和p38MAPK作为MAPK家族的重要成员，参与调控细胞凋亡过程，对细胞生存具有重要意义^[26]。实验研究发现砷化物处理HELF细胞能使JNK产生剂量依赖性地激活(磷酸化)，并且使用JNK抑制剂后可显著地降低砷化物所致HELF细胞的DNA损伤与凋亡^[12]。Sun等^[27]研究发现一定浓度的砷化物可以同时激活JNK信号通路和STAT3信号通路，诱导mdig表达而导致肺癌。mdig的表达水平与肺癌分期有关，是肺癌发生发展的早期事件^[28]。还有学者研究发现JNK和p38信号通路在三氧化二砷诱导的人肺成纤维细胞(HEF)中使ROS水平增加，加快GSH耗竭，并且增强细胞的生长抑制和死亡^[29]。

Wnt信号通路的异常激活可导致肺癌的发生^[30]。wnt5a是Wnt蛋白信号家族成员之一，他既能通过Wnt/ca²⁺途径，抑制经典的Wnt/β-catenin途径，从而抑制肿瘤生长；也能通过激活经典的Wnt/β-catenin通路促进肿瘤生长、侵袭和转移。黄英等^[31]研究发现wnt5a的过度表达可以明显提高小细胞肺癌细胞的迁移及侵袭能力，通过RNA干扰沉默该基因，可以明显抑制小细胞肺癌细胞的迁移及侵袭能力。Wnt途径还可以调节c-myc基因的转录^[32]，c-myc基因既是一种可易位基因，又是一种可受多种物质调节的可调节基因，也是一种可使细胞无限增殖，获得永生化功能，促进细胞分裂的基因。综上所述，砷化物通过调节Wnt信号通路表达与肺癌的发生发展有密切的关系。

3.6 基因多态性

研究指出砷代谢的个体差异是砷致肺癌的重要危险因素，对长期低剂量饮水型砷暴露致癌具有重要意义^[33]。学者在对矿区砷暴露人群的基因多态性的研究发现，长期砷暴露人群的gsta2，gstm1，gstp1，gstt1，xrcc1，apex1，mpg，mutyh，ogg1，parp1，parp4，ercc1，ercc4和ercc5基因的生物学标志物被检测到的频率均高于非暴露人群^[34]。谢惠芳等^[35]研究证明mt2a基因rs10636多态位点的基因型和饮水型地方性砷中毒有关，且mt2a基因rs10636位点可以作为饮水型地方性砷中毒的生物标志。gstm1空白基因型频率在砷中毒人群中有升高趋势；gstt1与gstm1基因联合空白型可能与饮水型地方性砷中毒有关联^[36]。还有学者研究发现，Wnt信号通路中的axin2基因外显子T148C的rs2240308位点的基因多态性可增加中国人口肺癌患病风险，提示axin2是肺癌相关基因^[37]。

4 展望

综上所述，砷对健康的危害是多方面的，砷对肺的毒性作用非常复杂，许多问题至今未解决，其分子机制还需进一步研究。同一砷暴露地区个体健康效应差异较大，故在今后的流行病学调查工作中应有针对性地完善相应内容，为砷在人体内代谢酶基因多态性的研究提供一定的分子流行病学研究结果的支持。砷致肺癌的试验研究方面，动物或者细胞模型的建立是否具有代表性，能否完全模拟人体实际暴露剂量和暴露途径，是研究过程中需要解决的重要问题。新近研究发现，肿瘤的发生发展和肿瘤微环境关系密切，体外试验在模拟肿瘤微环境上存在一定局限，且砷与肿瘤微环境的相关性尚需进一步研究。砷及其代谢产物所引起的基因表达，细胞信号通路改变方面，常常因细胞类型不同和浓度不同而不同，甚至出现相反效应，如低浓度的亚砷酸钠能引起细胞增殖升高而凋亡降低；相反，高浓度则引起细胞增殖降低而凋亡升高^[38]。这一特点为研究提供了更为广阔的空间，同时也给研究带来了相应的困难。随着科学水平的快速发展，更全面和更深入地了解砷对肺乃至对机体多基因多信号通路联合作用的机制，以及有效地防治砷中毒是预防医学工作者的重大使命。