核與化學(xué)損傷/芥子氣中毒機(jī)理

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芥子氣中毒機(jī)理雖早有研究，但迄今尚未完全闡明。目前認(rèn)為，芥子氣在體內(nèi)主要與核酸、酶、蛋白質(zhì)等生物大分子結(jié)合，特別對(duì)DNA的烴化作用是引起機(jī)體廣泛損傷的生物學(xué)基礎(chǔ)，它與抗癌化療藥物烴化劑（或烷化劑）具有類似的藥理學(xué)與毒理學(xué)性質(zhì)。

（一）烴化作用

芥子氣是典型的雙功能烴化劑（bifunctional alkylating agent），具有廣泛的烴化作用。芥子氣分子中的硫原子具有兩對(duì)未共用的電子；氯是電負(fù)性較強(qiáng)的原子。由于氯原子的誘導(dǎo)效應(yīng)，硫原子上的未共用電子對(duì)沿著氯誘導(dǎo)效應(yīng)的方向移動(dòng)，促進(jìn)氯原子分離。所以，溶解于水或體液等極性溶液中的芥子氣迅速解離，內(nèi)部電子重新排列，形成正碳離子或正硫離子。正硫離子又稱锍離子（sulfonium ion）具有很強(qiáng)的親電性（electrophilicity）極易與生物大分子的親核性原子（nucleophilic atom）S、N、O等起烴化反應(yīng)，形成以共價(jià)鍵結(jié)合的不同逆性的烴化產(chǎn)物（圖13-1）。

細(xì)胞內(nèi)許多重要成分含有S、N、O等親核中心（nucleophilic center），它們對(duì)烴化劑具有強(qiáng)度不同的親和力，其順序?yàn)镾＞N＞O。生理條件下，芥子氣與體內(nèi)許多親核性基團(tuán)如氨基、巰基、羥基、羧基、磷酸基及咪唑基等反應(yīng)。所以，芥子氣具有廣泛和復(fù)雜的生物學(xué)作用。

（二）對(duì)核酸的作用

DNA對(duì)芥子氣極為敏感，是芥子氣攻擊的主要對(duì)象，也是芥子氣基因毒性和細(xì)胞毒性的物質(zhì)基礎(chǔ)。DNA中的堿基極易被芥子氣烴化，此一作用主要發(fā)生在鳥(niǎo)嘌呤的N7、O6、N2與腺嘌呤的N1、N6等位置。在堿性條件下，胞嘧啶的O2亦可被烴化。其中在鳥(niǎo)嘌呤的N7與O6位置上的烴化最為重要。核酸鏈中的磷酸二酯烴化可形成不穩(wěn)定的磷酸三酯。

圖13-1 親核中心（Y^-、Z^-）與芥子氣的烴化反應(yīng)

芥子氣為雙功能烴化劑，具有兩個(gè)烴化功能基團(tuán)（或臂）。因此，它與DNA的烴化作用可能有雙烴化（bifunctional alkylation）和單烴化（monofunctional alkylation）兩種方式。雙烴化又有鏈間交聯(lián)（interstrand crosslinking）和鏈內(nèi)交聯(lián)（intrastrand crosslinking）之分。前者發(fā)生在兩條互補(bǔ)鏈之間，后者則發(fā)生于同一鏈內(nèi)（圖13-2）。雙烴化也可發(fā)生在DNA與蛋白質(zhì)之間（。至于單烴化則是芥子氣單臂與DNA成分之間的聯(lián)結(jié)。

DNA鳥(niǎo)嘌呤N7位烴化產(chǎn)物不穩(wěn)定，通過(guò)固有或酶促作用從脫氧核糖—磷酸鍵上脫落（脫嘌呤反應(yīng)），形成無(wú)嘌呤DNA。隨之在無(wú)嘌呤核酸內(nèi)切酶的作用下，切除無(wú)嘌呤部位，致使脫氧核糖—磷酸主鍵斷裂，結(jié)果在DNA兩條螺旋鏈上出現(xiàn)單鏈或雙鏈斷裂。

DNA烴化損傷的毒理學(xué)作用主要有兩方面：細(xì)胞毒作用和遺傳信息障礙。

圖13-2 芥子氣（H）與DNA鏈中鳥(niǎo)嘌呤（G）可能的聯(lián)結(jié)方式

a 單烴化　b 鏈內(nèi)交聯(lián)　c 鏈間交聯(lián)　d H與G的雙烴化產(chǎn)物

由于DNA烴化反應(yīng)和鏈斷裂，引起DNA分子扭曲變形與DNA模板損傷。尤其是鏈間交聯(lián)的存在，嚴(yán)重影響DNA復(fù)制時(shí)兩條配對(duì)鏈的裂開(kāi)，因而使正常半保留復(fù)制過(guò)程發(fā)生障礙（即DNA失去模板功能），或使復(fù)制后DNA分子結(jié)構(gòu)與生化功能發(fā)生改變。結(jié)果導(dǎo)致細(xì)胞有絲分裂抑制（DNA復(fù)制是細(xì)胞有絲分裂的前提）和細(xì)胞分裂增殖阻抑，嚴(yán)重者導(dǎo)致細(xì)胞死亡（圖13-3）。一般認(rèn)為，DNA鏈間交聯(lián)是細(xì)胞毒作用的主要原因，而鏈內(nèi)交聯(lián)和DNA與蛋白質(zhì)交聯(lián)則是細(xì)胞毒作用的次要因素。有人認(rèn)為，DNA鳥(niǎo)嘌呤N7位置烴化是細(xì)胞毒作用的始發(fā)部位，而O6位置烴化與致突、致癌、致畸等遺傳信息障礙密切相關(guān)。

圖13-3 DNA烴化損傷導(dǎo)致細(xì)胞毒作用機(jī)理示意圖

業(yè)已證明，DNA雙烴化（鏈間交聯(lián)）主要引起細(xì)胞毒作用，導(dǎo)致細(xì)胞死亡；單烴化則較少引起細(xì)胞死亡，但能導(dǎo)致DNA遺傳信息障礙，如DNA鳥(niǎo)嘌呤N7位置單烴化產(chǎn)物脫落后遺留下一個(gè)空隙（gap），該空隙在復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過(guò)程中，可能導(dǎo)致錯(cuò)誤堿基的摻入，因而引起突變、癌變和畸變等遺傳信息障礙。

芥子氣對(duì)RNA作用與DNA相似，主要也作用于鳥(niǎo)嘌呤的N7位置。RNA烴化影響氨基酸縮合，致使蛋白質(zhì)合成代謝障礙干擾細(xì)胞功能（圖13-3）。實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)論原核或真核細(xì)胞本身都具有DNA修復(fù)能力，在一定的程度上能切除DNA的損傷部位，恢復(fù)DNA正常結(jié)構(gòu)與功能。

（三）對(duì)蛋白質(zhì)的作用

芥子氣除通過(guò)對(duì)核酸的作用影響蛋白質(zhì)合成外，還可與蛋白質(zhì)肽鏈中的親核基團(tuán)直接發(fā)生烴化作用，特別與細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)蛋白的烴化反應(yīng)具有重要的毒理學(xué)意義。芥子氣烴化作用的主要功能基團(tuán)是：賴氨酸的氨基、谷氨酸的羧基以及谷胱甘肽和半胱氨酸的巰基等。用標(biāo)記芥子氣（³⁵S）與酵母實(shí)驗(yàn)表明，有50％與³⁵S與谷胱甘肽結(jié)合，10％³⁵S結(jié)合的細(xì)胞膜上，其余40％與細(xì)胞微細(xì)胞結(jié)構(gòu)結(jié)合。芥子氣還易與血清蛋白及核蛋白作用。烴化后的蛋白質(zhì)發(fā)生變性、補(bǔ)體失活以及免疫功能下降等。

（四）對(duì)酶的作用

芥子氣對(duì)已糖激酶、膽堿酯酶、胃蛋白酶及某些脫氫酶與氧化酶等至少30多種酶有抑制作用。已糖磷酸激酶的抑制可影響糖的酵解和轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致糖代謝障礙及組織營(yíng)養(yǎng)失調(diào)。皮膚損傷也可能與此過(guò)程有關(guān)。芥子氣對(duì)乳酸脫氫酶的活性有明顯的抑制作用。氮芥中毒使大鼠小腸隱窩細(xì)胞溶酶體葡糖苷酸酶（β－glucuronidase）的活性增高8倍。參與核酸聚合的核苷酸激酶和多核苷酸磷酸化酶受到抑制后，可加重核酸的代謝障礙?，F(xiàn)認(rèn)為，芥子氣對(duì)酶的作用直接烴化反應(yīng)和通過(guò)DNA損傷的間接誘導(dǎo)作用。酶對(duì)芥子氣的敏感性不高，特異性不強(qiáng)，因而其重要性遠(yuǎn)不如DNA。

（五）細(xì)胞毒性作用

芥子氣的細(xì)胞毒性作用是芥子氣損傷作用的重要特征之一。不同生長(zhǎng)周期的細(xì)胞，對(duì)芥子氣的敏感性亦不同；S期細(xì)胞（DNA合成期）和G2期細(xì)胞（合成后期）對(duì)芥子氣最敏感，處于分裂期（M期）細(xì)胞則相對(duì)不敏感。因此，增殖旺盛的淋巴細(xì)胞、骨髓造血細(xì)胞、腸粘膜上皮細(xì)胞、睪丸造精細(xì)胞等對(duì)芥子氣最為敏感，使其呈現(xiàn)“無(wú)生殖能力”狀態(tài)。同時(shí)也決定了芥子氣中毒的特殊損傷部位。此外，處于不同分化階段血細(xì)胞的敏感性也不同。即造血干細(xì)胞最敏感，幼稚細(xì)胞其次，成熟細(xì)胞則較不敏感。

芥子氣抑制細(xì)胞有絲分裂，引起染色體損傷，包括斷裂、缺失、交換和畸變，以及各種細(xì)胞的突變、癌變和畸變等。在一定條件下，及時(shí)正確的DNA修復(fù)可保持染色體結(jié)構(gòu)的完整性。

實(shí)驗(yàn)證明，DNA和蛋白質(zhì)合成對(duì)芥子氣的敏感性不同。DNA合成顯著抑制，細(xì)胞分裂延遲，而蛋白質(zhì)成仍在繼續(xù)進(jìn)行，二者失去平衡，因此細(xì)胞增大，最終導(dǎo)致細(xì)胞崩解死亡。應(yīng)用蛋白質(zhì)合成抑制放線菌酮（cycloheximide）使二者生物合成恢復(fù)平衡，可減低或消除芥子氣的細(xì)胞毒性作用。

芥子氣皮膚細(xì)胞毒性的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程包括：芥子氣烴化細(xì)胞DNA鳥(niǎo)嘌呤導(dǎo)致無(wú)嘌呤核酸的形成，無(wú)嘌呤核酸內(nèi)切酶將DNA無(wú)嘌呤部位切除，于是DNA鏈斷裂，通過(guò)酶的激活作用，激活多聚（ADP-核糖）聚合酶［Poly(ADP-ribose)polymerase，PADPRP］，該酶利用NAD⁺作為基質(zhì)合成多聚ADP-核糖體，因而大量消耗細(xì)胞NAD⁺，導(dǎo)致NAD⁺含量降低或缺失、糖酵解抑制并激活單磷酸已糖旁路，導(dǎo)致蛋白相得益彰釋放，最終使細(xì)胞發(fā)生病理改變。

芥子氣的細(xì)胞毒作用，與一般酸堿腐蝕劑、蛋白凝固劑或燒傷不同，后者能迅速殺死細(xì)胞，前者與細(xì)胞生化成分作用雖然迅速，但導(dǎo)致細(xì)胞損傷和死亡卻有一個(gè)過(guò)程，這與臨床上有一潛伏期是一致的。因此，在芥子氣損傷早期往往不易確定細(xì)胞損傷程度。

（六）對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的作用

大劑量芥子氣中毒的，中樞神經(jīng)系統(tǒng)高級(jí)部位活動(dòng)的變化出現(xiàn)最早。早期出現(xiàn)興奮和驚厥，尤以下肢出現(xiàn)強(qiáng)烈，有時(shí)出現(xiàn)陣發(fā)性抽搐，并迅速轉(zhuǎn)入抑制麻痹。此外，還有明顯的副交感神經(jīng)系統(tǒng)興奮癥狀，如流涎、腸平滑肌痙攣等。病程迅速而劇烈，死亡甚快。動(dòng)物在麻醉下中毒出現(xiàn)的癥狀較未麻醉動(dòng)物有明顯的減輕。

芥子氣作用于皮膚粘膜感受器，很快引起病理反射，阻斷此反射通路，可阻止病理過(guò)程的發(fā)展。實(shí)驗(yàn)證明，在染毒皮膚周圍用奴夫卡因封閉，病變程度不僅比對(duì)照輕，病程慢，愈合也較快。此外，用芥子氣刺激一側(cè)坐骨神經(jīng)向心端，可引起對(duì)側(cè)下肢潰瘍，且經(jīng)外不愈。