再访广岛
【德】麦考·帕默 著
郎伦友 译
第七章 第二节
7.2 作用的形式和毒代谢动力学
图7.1显示了硫芥子气和路易斯毒气的分子结构，显然它们相当不同；特别是硫芥子气的两个氯乙基，这是路易斯毒气中所缺少的能促成其与DNA反应的物质。（详见下文）这说明尽管结果相似，但它们与细胞内的分子的反应却是不同的。
7.2.1 同DNA的反应
硫芥子气与DNA的反应首先是形成一个环硫离子（见图7.2）。这个三元环是高度不稳定的，可以同细胞内的任何亲核体发生反应；但是由于某些原因，比如电离辐射（见2.1一节），最重要的目标分子是DNA。在DNA中发现的四种碱基（脚注2）都可以发生反应，但最活跃的反应物是鸟嘌呤，特别是在该图所示的咪唑环中特有的氮（N7）。重要的是，硫芥子气是一个二价的分子，与中心的硫原子连接的两个氯乙基（ -CH? - CH? -Cl）都可以以相同的方式反应。这就可能导致位于DNA分子相对链条上的两个碱基之间的交叉连接；随着这种交叉连接而产生的是两股链条都有可能断裂，（脚注3）结果是用电离辐射也能观察到同样类型的损伤。在硫芥子气的生物效应方面，这样的交叉连接的一个重要作用是由早期的发现支持的，缺少两个反应基的任何一个，类似的化合物的毒性要低很多。【107，第35页】
图7.2 被硫芥子气交叉连接的DNA鸟嘌呤碱
Cl：氯；S：硫；N：氮；O：氧；NH?：胺基；OH：羟基。
dR代表脱氧核糖。第一步是形成一个环硫离子；这个三元环是高度不稳定的，容易受到N7或其他亲核物质如谷胱甘肽的攻击。第二个鸟嘌呤俘获的步骤与第一个鸟嘌呤俘获的步骤相同。
电离辐射与硫芥子气引起的致突变DNA损伤的相似性说明，两种有毒物质在短期内都会产生相似的生物效应，诸如骨髓损伤，而从长期看则可能有白血病和癌症。令人惊异的是，路易斯毒气对DNA的反应性很少受到关注；然而与硫芥子气不同，路易斯毒气没有确切的致突变或致癌潜力的记录。【21，109】在广岛和长崎轰炸的幸存者中，白血病和某些实体瘤的发病率显著增加，【110，111】这进一步支持了用在摧毁这两座城市的是硫芥子气，而不是路易斯毒气。
7.2.2 谷胱甘肽的耗竭
在低浓度的硫芥子气中，与DNA的反应导致了大部分损伤，而与其他亲核试剂的反应则在更高的水平上提供了另一种毒性机制。谷胱甘肽是一种特别重要的分子，它在清除细胞内部多种有毒化合物中担当关键的角色。如果谷胱甘肽由于与硫芥子气反应而消耗殆尽，将损害细胞的中和活性氧化物（ROS）的能力。活性氧化物是许多代谢过程的主要产物或副产物；得不到保护的活性氧化物可能会导致细胞毒性效应。【112】
一个涉及活性氧物的生化途径是皮肤色素（黑色素）的形成；实行这一途径的黑色素细胞比角质形成细胞（非色素细胞【113】）更容易受到硫芥子气毒性的影响。能杀死黑色素细胞但允许角质形成细胞再生的暴露程度可能导致皮肤脱色。另一方面，低水平的硫芥子气允许角质形成细胞和黑色素细胞都再生则可能导致皮肤色素沉着。后一种情况通常被看作是对脱色的描述。
谷胱甘肽通过它的巯基（-SH）与硫芥子气反应，这个巯基是一种极好的亲核剂，用于攻击图7.2 所示的环硫醚中间体。尽管化学反应不同，但巯基也与路易斯毒气发生剧烈反应；这表明早期皮肤上和粘膜上的症状的相似性的确是由这个机制促成的。然而关于路易斯毒气在生物体内进行反应的实验数据非常稀少。【21，109】
7.2.3 系统的吸收和分配
硫芥子气是通过皮肤接触、吸入和摄入被吸收的。第一次世界大战期间，暴露于硫芥子气中的士兵，还有工厂中生产这种毒气的工人，通常是用防毒面具进行保护的；相比之下，广岛和长崎那些没有得到保护的不知情的受害者很有可能就是通过这三条渠道摄入大量毒气的。
在对实验动物的皮肤进行实验性应用时，80%的化合物通常会蒸发掉，其余20%将被吸收。而被吸收的部分有大约80%，即总量的16%真正进入了血液循环，然后进入内脏器官；其余的部分（总量的4%）在皮肤中发生反应，并存留下来。【114】进入系统的部分分散到不同的器官中。不同器官里发现的相对丰度在不同的研究中有所不同，这些研究采用的是不同的检测方法——化学的【115】、放射性示踪剂【116，117】、或DNA损伤【1168——显然具有强大的血液流动的器官接收和保留的数量最高。这些器官有大脑、肺脏、脾脏和肾脏。
如前所述，硫芥子气水溶性很差；这样的物质是疏水性的或亲脂性的，它们容易积聚在脂质（脂肪样的物质）中。大脑不仅有很强的灌注能力，而且富含髓鞘形式的脂类。髓鞘包裹着众多的神经纤维，起着电绝缘体的作用。因此可以理解，DNA丰度最高的器官是大脑，【118】略高于肺脏。然而由于大脑细胞的增殖通常非常缓慢，这个器官对于硫芥子气造成的DNA损伤结果不是十分敏感，与它对辐射的低敏感性相似。
随着时间的推移，硫芥子气将从大脑和其他器官重新分配到脂肪含量最高的组织中。这是由德拉希等人【115】论证的，他们检验了一个在接触硫芥子气一个星期后死于硫芥子气中毒的伊朗士兵的尸体。值得注意的是，在此之后观察到的硫芥子气仍然以它原有的未发生反应的形式存在。随着时间的推移，脂肪组织通过血液缓慢地重新分布到其他器官，这可能会导致DNA和细胞损伤的持续。这也可能有助于已知的硫芥子气受害者缓慢恢复，还有可能有助于广岛和长崎的患者“辐射病”的延迟发作。（见8.8一节）
岳等人【119】在实验室中将大老鼠暴露于硫芥子气后，对其几个主要器官中的DNA加合物的丰度进行了比较。当把每个组织中的DNA总量进行标准化后，发现骨髓中的含量最高，接下来依次是大脑、胰腺、肺脏和脾脏。骨髓对硫芥子气的敏感性是长久以来认定的事实，【120】性腺也是如此。综上所述，我们注意到报告的一些器官中的高水平是一致的——大脑、肺脏和肾脏——它们都属于最不容易受电离辐射的器官。
7.2.4 新陈代谢
硫芥子气的反应性质使其容易受代谢转化和失活等多种途径的影响。我们已经讨论过它同谷胱甘肽的反应；这个反应 是由谷胱甘肽-硫-转移酶促进的，这种转移酶在肝脏和小肠的上皮细胞中含量特别丰富。谷胱甘肽的结合作用是一种解除药物和外源性药物毒性的有效途径；只要谷胱甘肽没有被大量的底物——例如皮肤中的硫芥子气耗尽 ，这种反应就是有好处的。
硫芥子气也是可以水解的，水解的过程分为两步，结果是它的灭活：（脚注4）
Cl：氯；CH2：甲烯；S：硫；H?O：水；OH：羟基；HCl：氯化氢。
图7.3 硫芥子气的氧化代谢。
Sulfur mustard(SM)：硫芥子气；SM sulfoxide：硫芥亚砜；SM sulfone：硫芥砜；divinyl sulfone：二乙烯基砜。 O：氧；NH：胺；NH2：氨基。
硫原子可以被氧化，最有可能的是被过氧化物酶或单加氧酶氧化。首先生成亚砜，然后生成砜；砜可以消除氯化氢生成二乙烯基砜。二乙烯基砜与天然硫芥子气一样具有两个反应基团，具有诱变性。
另一个重要的反应是在生物体内普遍发生的氧化。【121】作为原因的酶显然还没有被鉴定出来；在这样的证据获得之前，细胞色素P450和过氧化物酶都是可能的候选酶。第一次氧化的中间物是亚砜，它具有低毒的活性（见图7.3）；然而第二次氧化将生成砜，它能够消除氯化氢并由此转化成二乙烯基砜，二乙烯基砜具有高反应性和诱变性。【122】关于这一点，值得注意的是，甲状腺中存在高水平的过氧化物酶。已知甲状腺中的过氧化物酶介导结构相似的硫醚化合物的硫氧化，【123】甲状腺中硫芥子气转化为二乙烯基砜有可能使该器官的致癌活性增加。甲状腺癌已经在伊朗硫芥子气受害者身上观察到了，【124】甲状腺癌的发病率在广岛和长崎的幸存者中也显著增加。【125】
【脚注】
2：这些碱基有嘌呤衍生物腺嘌呤和鸟嘌呤以及嘧啶衍生物胞嘧啶和胸腺嘧啶。在DNA中，胸腺嘧啶由尿嘧啶取代。
3：这种情况已经用氮芥子气【52】演示过，氮芥子气以硫芥子气同样的方式与DNA发生反应。
4：在自然环境中也会发生水解；然而由于硫芥子气水溶性差，这个过程将会很慢。
