有毒外源化学物在肺部的代谢及其毒性作用研究进展

邓利红，胡建安

（中南大学湘雅公共卫生学院，湖南长沙 410078）

人们在生产生活环境中接触有毒的外源化学物进入人体后，绝大多数需要经过体内代谢转化后才能产生器官、细胞、亚细胞以及分子水平的效应，从而导致相应的结构异常及功能障碍，引起机体损伤或疾病。因此，有毒外源化学物的体内代谢与毒性作用关系一直是毒理学研究的重要内容。特定的外源化学物导致特定器官的损伤提示，这种对特定器官具有较强的亲和性，可能与其代谢酶及其活性有关。许多外源化学物经代谢活化生成的中间体大多不稳定，不能转移到其他器官或组织发挥作用。因此，外源化学物的原位代谢对靶器官的毒效应受到关注。

肺与外环境的接触面积约为胃肠道和皮肤界面之和的4倍，是人体暴露有毒外源化学物最主要的途径之一。各种气体和气溶胶以吸入的方式进入肺部，其他途径进入血液的外源化学物也可经肺毛细血管网到达肺部，这使得肺成为人体接触职业和环境化学物最重要脏器和毒作用靶器官。支气管、细支气管和肺泡壁内含丰富的生物酶类，是肺内代谢各类外源性化学物并产生生物学效应的主要部位。本文将从多类外源化学物经酶催化下在肺部原位代谢过程、活化代谢产物和生物学效应等方面进行综述。

1 黄曲霉毒素

黄曲霉毒素（aflatoxin，AF）是黄曲霉和寄生曲霉产生的高毒性产物，其中黄曲霉毒素B1（AFB1）对哺乳动物毒性最大，被国际癌症研究机构（Inter⁃national Agency for Research on Cancer，IARC）归为Ⅰ类致癌物，致癌作用很强。流行病学数据提示，肺部暴露于AFB1与肺癌的发生相关。表达细胞色素P450（cytochrome P450，CYP450）的人支气管上皮（human bronchial epithelium，HBE）细胞可将低浓度AFB1活化为AFB1-8，9-环氧化物（AFB1-8，9-epoxide，AFBO），AFBO可与DNA、RNA和蛋白质等大分子结合形成加合物，引起DNA损伤、细胞凋亡，甚至导致基因突变，引起癌症发生［1］。在经AFB1处理的小鼠肺细胞中，发现DNA损伤标志物8-羟基-2′脱氧鸟苷（8-hydroxy-2’-deoxyguanosine，8-OHdG）生成增加、碱基切除修复活动增强、碱基切除修复通路限速酶8-氧基鸟嘌呤DNA糖基化酶1（8-oxoguanine DNA glyco⁃sylase，OGG1）增 加［2］。 而 AFB1 对 于 不 表达CYP450的人支气管上皮并不产生毒性作用。表达CYP1A2的HBE细胞对AFB1的作用较为敏感，特别是在低浓度下，其代谢活化AFB1的能力大约为表达CYP3A4的HBE细胞的100倍［3］。但CYP1A2主要存在于人肝细胞中，在HBE细胞内表达甚微；而CYP2A13则主要表达在人肺细胞中，表达CYP2A13的HBE细胞在AFB1的作用下可生成AFB1-DNA加合物、AFB1-N7-鸟嘌呤加合物、8-OHdG以及DNA双链断裂标志物γH2AX［4］。另有实验证实，CYP2A13 可将 AFB1代谢为终致癌物AFBO，其活化能力高于传统优势酶CYP1A2，是AFB1在肺组织中原位代谢的关键酶之一［5］。除CYP450，人肺泡巨噬细胞中表达的前列腺素H合酶（prostaglandin H synthase，PHS）和脂氧合酶（lipoxygenase，LOX）也是代谢AFB1的主要酶类［6］。除细胞毒性作用，AFB1还可导致细胞发生表观遗传学改变。人肺细胞系L-132中蛋白质精氨酸甲基转移酶5（protein arginine methyltransferase 5，PRMT5）随AFB1染毒剂量和染毒时间的增加而增加，这可能是AFB1重要的致癌机制之一［7］。另外，用AFB1处理稳定表达CYP2A13的HBE细胞导致微小RNA-138-1＊（microRNA-138-1＊，miR-138-1＊）的下调，并发现miR-138-1＊通过靶向3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶-1（3-phosphoinositide dependent protein kinase-1，PDK1）以及磷脂酰肌醇3激酶/3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶/蛋白激酶B（phosphatidylinositol 3-kinase/3-phosphoinositide dependent protein kinase/protein kinase B，PI3K/PDK/Akt）信 号 通 路 在AFB1诱导的HBE细胞恶性转化中起到抑制作用［8］。AFB1的解毒主要依靠谷胱甘肽-S-转移酶（glutathione S-transferase，GST）与AFBO的共价结合，虽人肺细胞对AFB1的代谢能力不及肝细胞，但由于解毒酶GST的缺乏，且AFB1可诱导人肺细胞中CYP450的产生，可增加人群暴露时患肺癌的风险。

2 碳链类化合物

2.1 丙烯腈

呼吸道吸入是作业工人职业接触丙烯腈（acry⁃lonitrile，ACN）的主要途径，职业接触ACN工人患肺癌风险增加［9］，属2B类致癌物。ACN在体内主要是由CYP2E1代谢为能与蛋白质和DNA结合的活性产物2-氰基环氧乙烷（2-cyanoethylene oxide，CEO）来发挥其致癌和致突变作用［10］。ACN不仅可引起细胞抑制和氧化应激，损伤细胞的DNA修复能力，还可导致雌性小鼠肺泡/细支气管腺瘤或癌的发生率增加［11］。另外，人肺细胞LOX也可催化ACN代谢为CEO［12］。ACN具有较强的遗传毒性作用，可导致HBE细胞姐妹染色单体和DNA断裂［13］。这些研究结果为流行病研究提供了可靠的实验依据。

2.2 1，3-丁二烯

1，3-丁二烯（1，3-butadiene，BD）是一种重要的有机化工原料，属Ⅰ类致癌物。BD可在肺Ⅰ型细胞、肺Ⅱ型细胞和克拉拉细胞原位代谢产生生物学效应［14］。BD在肺部的代谢主要是由CYP2E1/2A6介导，其代谢产物有：1，2-环氧丁烯（1，2-epoxybutene，EB）、1，2，3，4-二甲氧丁烷（1，2，3，4-dimethoxy butane，DEB）和3，4-环氧-1，2-丁烯二醇（3，4-epoxy-1，2-butenediol，EBO）等，这是DB产生遗传毒性和致癌性的基础［14］。BD在肺部致癌机制可能涉及原位代谢活化、DNA损伤、表观遗传学改变和基因突变。BD可导致小鼠肺组织DNA损伤、基因表达差异和染色质改变［15］。动物实验在小鼠的肺中检测到可与DNA等生物大分子发生共价结合形成N7鸟嘌呤加合物的如EB和DEB等代谢产物［16］。BD的代谢产物丁二烯二环氧化物（butadiene diepoxide，BDO2）可抑制人胚肺成纤维细胞（human embryonic lung fibroblasts，HELF）的增殖，使大部分细胞停留在G1/G2期［17］。在暴露于BD的小鼠肺中检测到表观遗传学改变，包括重复序列的DNA去甲基化和组蛋白-赖氨酸乙酰化［18］。此外，小鼠暴露于BD引起的肺部肿瘤涉及到K-ras癌基因的突变［19］。

2.3 氯乙烯

氯乙烯（vinyl chloride，VCM）是主要用来合成聚氯乙烯（poly VCM，PVC）的重要化工原料，是一种确定的人类致癌物（Ⅰ类致癌物），可诱导多器官肿瘤的发生。目前，呼吸道吸入是职业人群暴露的主要途径。流行病学研究发现，VCM/PVC行业工人患肺癌风险增加［20］。高剂量、长期暴露VCM的27只小鼠中，26只形成肺肿瘤；同时观察到末端细支气管细胞（包括纤毛和克拉拉细胞）的增生和肥大以及炎症［21］；提示VCM可在肺部代谢产生毒性作用。VCM的代谢是由CYP2E1介导生成氯乙烯环氧化物，一部分氯乙烯环氧化物可重排为2-氯乙醛（2-chloroacetalde⁃hyde，2-CAA）后经乙醛脱氢酶 2（acetaldehyde dehydrogenase 2，ALDH2）氧化为氯乙酸，再与GST结合排出体外［22］。VCM代谢中间产物氯乙烯环氧化物、2-CAA能与DNA、RNA和蛋白质等生物大分子共价结合，引起碱基错配和基因突变，进而诱发肿瘤发生。有研究显示，大鼠吸入性暴露于VCM可在肺部检测到DNA加合物的形成［23］。但目前尚无采用肺上皮细胞为实验对象证实VCM在肺部的代谢活化过程的研究，需要进一步研究加以证实。

2.4 醛类

醛类是与人类健康密切相关的一类挥发性有机化合物，醛暴露除了导致哮喘、COPD等呼吸道损伤外，还具有诱导突变和癌变的作用。醛类在肺部主要依靠醛脱氢酶代谢解毒为二氧化碳等代谢物来消除。甲醛是其中最为典型的一种，被IARC归为Ⅰ类致癌物，但迄今对其致癌机制知之甚少。流行病学数据显示，人群甲醛暴露会增加肺癌的风险［24］。HBE细胞主要是在还原型谷胱甘肽（gluta⁃thione，GSH）的参与下，依靠NAD-依赖性甲醛脱氢酶将甲醛氧化生成甲酸来代谢解毒。细胞中的甲醛如不能及时代谢排出，将对细胞产生如降低细胞活性、抑制细胞增殖等毒性作用。甲醛还可通过与呼吸道上皮相互作用，加剧哮喘发生时的气道炎症，甚至可协同其他空气污染物如过敏原发生作用［25］。将豚鼠暴露于甲醛，发现豚鼠气道平滑肌反应性增高［26］。有实验将人支气管细胞系Calu-3和16HBE细胞暴露于高浓度甲醛24 h，发现细胞活力下降、乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH）的释放、活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）产生和细胞凋亡；还发现Calu-3细胞暴露于甲醛后，细胞单层反式上皮电阻呈浓度和时间依赖性降低，表明上皮通透性增加，甲醛可干扰气道上皮完整性和功能［27］。此外，甲醛可诱导16HBE细胞发生DNA-蛋白质交联和DNA单链断裂，还可破坏DNA和抑制DNA修复［28］。用甲醛处理16HBE细胞发现，随着暴露时间的延长，全基因甲基化水平降低；DNA甲基转移酶3a（DNA methyltransferas⁃es 3a，DNMT3a）和DNMT3b在mRNA和蛋白水平上的表达下调，DNMT1和甲基CpG结合蛋白DNA结合域蛋白2（methyl-CpG-binding protein DNA-binding domain protein，MBD2）在 mRNA 和蛋白水平上表达上调，这些改变可能与其致癌作用有关［29］。

乙醛可引起与癌症发生相关的细胞病变多步效应。人肺腺癌A549细胞暴露于乙醛可致与转录和信号转导、炎症和应激反应有关的基因表达差异［30］。乙醛暴露可导致16HBE细胞中GSH含量和Ca2+浓度持续升高，还能引起DNA链间交联和DNA-蛋白交联，并显著降低DNA修复酶O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶的活性，影响DNA损伤修复作用［31］。此外，丙醛、丁醛和戊醛也具有细胞毒性，可改变A549细胞系miRNA的表达，从而影响miRNA-mRNA相互作用，可能与醛暴露相关途径如细胞因子-细胞因子受体相互作用、丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号传导和P53信号通路等相关［32］。

2.5 4-（甲基亚硝基氨基）-1-（3-吡啶基）-1-丁酮

4-（甲基亚硝基氨基）-1-（3-吡啶基）-1-丁酮〔4-（methylnitrosamino）-1-（3-pyridyl）-1-butanone，NNK〕是烟草烟雾中一种肺部致癌物。细胞实验和动物实验表明，NNK可诱导肺部癌前病变和肿瘤的发生。NNK在体内由CYP450代谢为能与DNA反应的活化产物，诱导DNA中的核苷碱基的甲基化、吡啶氧基丁基化和吡啶基羟基丁基化并形成DNA加合物，NNK的α-亚甲基羟基化产生甲烷重氮氢氧化物和甲基重氮离子，主要与DNA的7-N-甲基鸟嘌呤和O6-甲基鸟嘌呤以及少量的O4-甲基胸腺嘧啶产生反应［33］。目前已确认的DNA加合物有：7-［4-（3-吡啶基）-4-氧代丁-1-基］-2′-脱氧鸟苷、O2-［4-（3-吡啶基）-4-氧代丁-1-基］脱氧胞嘧啶、O2-［4-（3-吡啶基）-4-氧代丁-1-基］-2′-脱氧胸苷（O2-pobdT）和O6-［4-（3-吡啶基）-4-氧代丁-1-基］-2′-脱氧鸟苷（O6-pobdG）［33］。NNK可被羰基还原酶如11-β-羟基类固醇脱氢酶还原为4-（甲基亚硝氨基）-1-（3-吡啶基）-1-丁醇（NNAL）的（R）-和（S）-对映体，它们的代谢途径与NNK类似，并具有与NNK相似的致癌性质［34］。

NNK代谢活化后产生DNA加合物，通过诱导基因突变促进癌症发生。NNK还能诱导HBE细胞癌基因的激活和抑癌基因的失活，并下调DNA错配修复蛋白的表达［35］；也可通过与烟碱型乙酰胆 碱 受 体（nicotinic acetylcholine receptors，nAChR）的结合，激活PI3K/AKT、MAPK/ERK等信号通路，调节细胞增殖、抑制细胞凋亡［36］；NNK及其代谢物可对HBE细胞产生氧化损伤、免疫抑制作用，增强HBE细胞的迁移和侵袭［37］。NNK还可与气道上皮细胞分泌的血清胰岛素样生长因子共同作用促进癌症的发生［38］。这些都与肺癌的发生发展有关。此外，NNK还可导致表观遗传学改变，如诱导DNMT1的激活和抑癌基因启动子高甲基化［39］，还有NNK处理的实验小鼠肺组织中长链非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）表达谱的改变［40］。

2.6 N-亚硝胺

N-亚硝胺是一类重要的环境致癌物，可诱导多种动物癌症发生。常见的致癌性亚硝胺类化合物有：二甲基亚硝胺（dimethyl nitrosamine，NDMA）、二乙基亚硝胺（diethylnitrosamine，DEN）和甲基乙基亚硝胺（methylethyl nitrosamine，NMEA）。N-亚硝胺类化合物在体内是由CYP450介导α-羟基化生成羟基亚硝胺，该物质不稳定，可分解出重氮化物［41-42］。重氮化物是一种亲电子的DNA烷化剂，可导致DNA烷化损伤，这是N-亚硝胺致癌的关键。用NDMA处理大、小鼠，可观察到肺组织DNA甲基化，O6-甲基鸟嘌呤和7-甲基鸟嘌呤的量增多［43］。DEN可诱导大鼠、小鼠和树鼩等多种动物发生肺肿瘤［44-45］。目前对于N-亚硝胺的研究大多局限于动物实验，是否能外推到人仍需进一步研究。

3 芳香族化合物

3.1 多氯联苯

多氯联苯（polychlorinated biphenyls，PCB）是一类在环境中广泛存在的持久性有机污染物，可在生物体内富集引起严重毒性作用。呼吸道吸入是人体PCB暴露的主要途径之一，流行病学数据显示［46］，暴露PCB与肺癌的发生有关。PCB是一种芳香烃受体（aromatic hydrocarbon receptor，AhR）激动剂，其在肺部是由CYP450代谢生成OH-PCB，结构不同的PCB同系物可被不同CYP450酶代谢，非邻位取代PCB同系物主要由CYP1A酶代谢，而多个邻位取代的PCB是CYP2B酶的底物［47］。当2个羟基被引入时，氯代二羟基联苯代谢物可被细胞内的PHS等过氧化物酶氧化为醌类化合物。代谢过程中生成的反应性中间体（特别是醌类）可与DNA、RNA、蛋白质等大分子形成加合物。PCB126是其中最具代表性的一类PCB，大鼠通过鼻内途径吸入PCB126，发现肺部有PCB126的蓄积，并且AhR表达增强［48］。PCB126处理HBE细胞可引起生长抑制甚至细胞凋亡［49］。PCB101可在低浓度时促进HELF的增殖而在高浓度时产生抑制作用；PCB101也可诱导ROS产生增加、GSH减少从而引起DNA损伤、细胞膜脂质过氧化［50］。PCB40与PCB77呈浓度和时间依赖性抑制HELF的增殖，引起细胞周期异常，增加凋亡蛋白的表达，甚至在高剂量下可能引起细胞致癌作用［51］。

3.2 多环芳烃类化合物

肺部暴露于多环芳烃类化合物（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAH）可能引起癌症相关基因的突变，从而引起肺癌的发生。PAH依靠CYP1A1/1B1代谢为二氢-环氧化物，另外，PAH可活化AhR，诱导包括CYP1A1/1B1以及几种Ⅱ相代谢酶在内的基因转录调控［52］。多种PAH可在人肺泡细胞中诱导CYP1A1/1B1的表达，并形成DNA加合物［53］。

苯并［a］芘（benzo［a］pyrene，B［a］P）是研究较多的一个PAH，可对HBE细胞产生毒性作用、DNA损伤甚至引起细胞凋亡［54］。用B［a］P及其代谢物处理的HBE细胞发现有原癌基因c-myc表达上调［55］。B［a］P在肺部主要是依靠NADPH依赖的CYP450代谢为B［a］P-7，8-环氧化物，然后通过微粒体环氧化物水解酶（microsomal epoxide hydro⁃lase，mEH）水解为B［a］P-7，8-二氢二醇（benzo［a］pyrene-7，8-dihydrodiol，BPD），其次，再由CYP450代谢为B［a］P-7，8-二氢二醇-9，10-环氧化物（7，8-dihydroxybenzo［a］pyrene-9，10-oxide，BPDE）。BPDE可与DNA共价结合形成具有遗传毒性的BPDE-DNA加合物。实验发现，CYP450参与BPD的代谢，并且发现BPD通过Chk1通路而抑制HBE细胞的增殖［56］。CYP1A1/1B1在B［a］P的代谢过程中起关键作用，B［a］P可引起HBE细胞中CYP1A1/1B1表达上调，进而诱导BPDE-DNA加合物的产生。有研究发现，B［a］P可诱导16HBE细胞恶性转变，并在裸鼠皮下形成肿瘤［57］。另外，暴露于B［a］P可引起肺部炎症反应，炎症因子IL-8可增加CYP1A1/1B1的表达，从而增强B［a］P的代谢［58］。B［a］P在代谢过程中产生大量的ROS，还能引起大鼠尿中8-OHdG水平升高［59］。体外实验证实，暴露于B［a］P的肺组织中生成的BPDE-DNA加合物比肝组织多，且持续时间更长，这可能是由于不同组织DNA修复能力差异所引起［59］。

3.3 硝基多环芳烃

硝基多环芳烃（nitropolycyclic aromatic hydro⁃carbons，NPAH）的致癌和致突变作用比相对应的非硝基芳烃强，其本身不具有致癌性，需要代谢活化才能发挥基因毒性作用。3-硝基苯甲酮（3-nitro⁃benzophenone，3-NBA）是一种典型的NPAH，是大鼠致癌物和人类可疑致癌物，具有强致突变性，可导致微核形成。进入细胞后，3-NBA由NAD（P）H∶醌氧化还原酶1［NAD（P）H∶quinone oxidoreduc⁃tase，NQO1］、黄嘌呤氧化酶（xanthine oxidase，XO）、微粒体NADPH∶细胞色素P450氧化还原酶（NADPH∶cytochrome P450 oxidoreductase，POR）等硝基还原为3-OH-ABA，随后被Ⅱ相酶如N，O-乙酰转移酶（N，O-acetyltransferases，NAT）和磺基转移酶进一步活化，形成能与DNA反应的N-乙酰氧基磺酰氧基酯［60-61］。现在已确认的3-NBA代谢物主要有3-氨基苯并酮（3-aminobenzanthrone，3-ABA）、3-乙酰氨基苯并蒽酮（3-Ac-ABA）和N-乙酰基-N-羟基-3-氨基苯胺酮（N-Ac-N-OH-ABA）等［62］。3-NBA代谢物与DNA嘌呤碱基结合形成的加合物主要有2-（2′-脱氧腺苷-N6-基）-3-氨基苯胺酮（dA-N6-ABA）、2-（2′-脱氧鸟苷-N2-基）-3-氨基苯酮（dG-N2-ABA）、N-（2′-脱氧鸟苷苷-8-基）-3-氨基苯酮和dG-C8-N-ABA［61］。

3-NBA的暴露可在大鼠肺部呈剂量依赖性诱导DNA加合物的形成。3-NBA和3-ABA能诱导大鼠肺中NQO1和CYP1A1的表达，从而增强自身的遗传毒性和致癌作用［63］。3-NBA及其代谢物3-ABA对A549细胞系具有遗传毒性作用，且可导致细胞中ROS生成增加、Ca2+和胱天蛋白酶活性增加及细胞增殖抑制等［64］。3-NBA的暴露可激活HBE细胞P53的转录而诱导细胞凋亡，还可引起DNA损伤［65］。此外，3-NBA可异构化成2-NBA，对人肺细胞产生遗传毒性作用。实验表明，通过肺吸收3-NBA在大鼠肺中诱导高水平的特异性DNA加合物与血液中DNA加合物之间具有相关性［66］，说明血液中持续存在的3-NBA-DNA加合物可能是人类呼吸道暴露于3-NBA的有效生物标志物，有助于评估暴露者的生物有效剂量。

3.4 其他芳烃

到目前为止，苯在肺部代谢的研究证据较少。有研究表明，苯暴露可对A549细胞产生细胞毒性作用，这与代谢活化产生与DNA结合的中间体以及ROS的增加有关。苯在肺部的代谢可能是由CYP2E1所介导催化为苯酚和氢醌，再由过氧化物酶代谢为苯醌发挥作用［67］。有研究提示，苯作用于中国仓鼠肺成纤维细胞（Chinese hamster lung fibroblasts，CHL）可导致 DNA断裂和 DNA交联［68］。4-氨基联苯（4-aminobiphenyl，4-ABP）是Ⅰ类致癌物，可在肺部代谢产生DNA加合物［69］。目前普遍接受的观点是，4-ABP首先由CYP450进行N-羟基化，形成N-羟基-ABP，然后经NAT1和（或）NAT2等Ⅱ相酶代谢，产生高度不稳定的酯代谢物，酯能自发水解成与多种细胞大分子（包括DNA）形成共价加合物的活性中间体［70］。Lin等［71］使用负离子气相色谱-质谱法在肺部检测到4-ABP代谢产物。表达5-LOX的HBE细胞也可活化4-ABP导致DNA 损伤。联苯胺（benzidine，BZD）和 β-萘胺（beta-naphthylamine，BNA）均是膀胱致癌物。近期有报道发现，职业暴露于BZD/BNA与肺癌的发病率相关，目前尚不清楚其致癌机制［72］。与其他芳香族胺一样，它们首先由CYP450 N-氧化，然后被NAT1等Ⅱ相酶O-乙酰化，代谢为能与DNA反应的活性亲电子物质［73］。16HBE细胞内的5-LOX可介导BZD协同氧化生成联苯胺二亚胺，对16HBE细胞产生DNA损伤［74］。目前这方面研究较少，仍需进一步实验支持以上观点。

4 无机化合物类

4.1 砷及其化合物

无机砷及其甲基化代谢物具有致癌和抗癌的双重作用。流行病学研究发现，职业接触砷会增加暴露者患肺癌风险［75］。有文献报道，砷诱导HBE细胞发生恶性转化［76］。砷暴露可导致人机体OGG1基因高甲基化以及氧化应激水平上升［77］。Meta分析发现，尿液中砷代谢物单甲基砷酸盐（monomethyl arsenate，MMA）的百分比与肺癌的发生高度相关［78］，提示砷致肺癌的机制可能与砷在肺部的代谢有关。砷（+3）甲基转移酶〔arsenic（+3）methyl⁃transferase，AS3MT〕将无机砷转变为单甲基和二甲基砷曾被认为是砷的解毒途径。现有文献将砷的三价甲基化代谢物认为是砷致癌物质活化的过程。在甲基供体S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylme⁃thionine，SAM）和辅因子GSH的参与下，无机砷被AS3MT代谢为单甲基化砷代谢物（如MMAⅢ和MMAⅤ）和二甲基化砷代谢物（如DMAⅢ和DMAⅤ）［79］。三价甲基砷的遗传毒性和细胞毒性比三价砷更大，能通过诱导ROS产生细胞毒性，如氧化损伤、影响细胞内信号通路等。另外，砷的代谢物三价砷酸盐可与维生素硫醇相互作用，影响多种蛋白质和酶的功能和活性，五价砷酸盐可使线粒体氧化磷酸化解偶联［80］。因此，无机砷在肺部的代谢活化可能是其致肺癌等毒作用发挥和增强的必要条件。

4.2 铬及其化合物

在职业场所和生活环境中吸入六价铬［Cr（Ⅵ）］化合物可引起呼吸系统损伤和癌症。流行病学数据显示，Cr（Ⅵ）的暴露与肺癌发生存在显著关联［81］。HBE是铬的靶细胞。多篇实验报道，Cr（Ⅵ）可引起HBE细胞凋亡，增强细胞增殖、迁移、侵袭和诱导肿瘤的能力，发生恶性转变［82］。HBE细胞的急性Cr（Ⅵ）染毒后，肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、环氧化酶2（cyclooxy⁃genase-2，COX-2）、核因子κB（nuclear factor-κB/p65，NF-κB/p65）和核因子E2相关因子2（nucle⁃ar factor erythroid-2 related factor 2，Nrf2）的表达增加，而Cr（Ⅵ）诱导产生的ROS引起炎症反应增强［83］。Cr（Ⅵ）本身并不与DNA反应，需经阴离子转运系统进入细胞后，被GSH和抗坏血酸等还原剂迅速还原为不稳定的Cr（Ⅴ）和Cr（Ⅳ），然后还原为Cr（Ⅲ），并且产生可引起DNA链断裂、碱基修饰、脂质过氧化和转录因子活化的ROS［84］。这些代谢产物具有细胞毒性和遗传毒性，可引起DNA损伤，包括形成DNA加合物、DNA双链断裂、突变、染色体畸变和姐妹染色单体交换［85］。三联Cr（Ⅲ）-DNA-蛋白质交联是一种稳定的络合物，是铬引起基因损伤的重要原因。此外，Cr（Ⅵ）处理可引起HBE细胞表观遗传学改变，例通过组蛋白乙酰化修饰引起HBE细胞生物素酶的下调［86］。Cr（Ⅵ）处理还可上调P16的CpG1，CpG31和CpG32位点的甲基化水平，P16的CpG1甲基化水平可作为由Cr（Ⅵ）染毒引起的表观遗传作用的生物标志物［87］。

5 展望

肺是吸入性外源化学物最为重要的靶器官，在外源化学物进入肺部经生物酶进行代谢活化的过程中，可能引起一系列呼吸道损伤甚至癌变。在器官水平上，外源化学物可引起炎症、癌变等器质性损伤；在细胞水平上，各种活化的外源化学物对肺细胞具有不同程度的毒性作用，如抑制细胞增殖、诱导细胞凋亡、促进细胞转化等；在分子水平上，外源化学物可改变细胞膜的通透性，引起细胞钙稳态失调，影响细胞内信号转导通路，活化的外源化学物与细胞内大分子如DNA、RNA和蛋白质等共价结合，以及生成自由基引起氧化损伤。肺部细胞存在如CYP450、LOX、前列腺素合酶和mEH等丰富的酶类，AFB1、碳链类、芳香族类和无机类等化学物都能在肺部进行代谢活化，但由于各类代谢酶在肺部各类细胞中分布不均匀，活化酶和解毒酶的活性程度也不尽相同，这使得不同的外源化学物对肺的亲和性不同，造成的损伤程度也不尽相同。

综上，外源化学物肺部代谢的研究具有重要意义和价值。然而，现在大部分肺部代谢的研究都是使用体外细胞培养实验（表1），这不能完全解释体内代谢过程，应尽量进行动物模拟实验和体外组织培养实验以取得更多更可靠的实验结果。

表1外源化学物在肺部的代谢及其毒性作用

续表1