辐射影响细胞色素P450的研究进展

辛元尧，年永琼，李向阳

(1.青海大学生态环境工程学院，青海 西宁 810016；2.青海大学医学院，青海 西宁 810001；3.青海大学三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，青海 西宁810016)

代谢是机体处置外源性物质(包括药物和毒物)的最主要方式，该过程一般是在酶的催化下进行的，其中催化药物代谢的酶统称为药物代谢酶，体内参与药物代谢的酶主要是细胞色素 P450(cytochrome P450，CYP450)。CYP450酶的全酶由血红素和脱辅基蛋白构成，它以铁卟啉 Ⅸ 为辅基，是一系列包埋于内质网膜中功能相关的同工酶。90%以上的药物经过CYP1A2、CYP2C9、CYP2C19、CYP2D6、CYP2E1和CYP3A4这6种同工酶进行代谢，其含量约占肝内CYP450酶总量的80%以上[1]。

细胞色素P450酶的活性和表达影响药物生物活性、疗效及安全性。而环境和疾病是影响其活性和表达的重要因素。当环境因素改变或机体发生疾病时可导致CYP450酶过表达或产生抑制，从而使药物的临床治疗效果发生变化或使机体产生耐药性。近年来对药物代谢酶的研究主要集中在药物之间的相互作用及环境影响等方面。

辐射作为环境因素的一个重要方面，其对药物体内代谢的影响引起广泛关注，研究包括X-ray、γ-ray 等电离辐射和紫外辐射(UVA、UVB)等非电离辐射及放射性核素(铀、铯等)。

辐射条件下机体产生一系列生理性变化，部分为病理性变化，这些变化可引起机体脏器功能、代谢和结构发生改变，以及脂质、DNA和蛋白质的损伤，组织细胞的死亡，DNA突变及合成受阻。其影响涉及机体的神经系统、免疫系统、内分泌系统、呼吸系统、消化系统等[2-3]。从而影响药物在体内的吸收、分布、代谢和排泄，导致药物代谢动力学特征发生改变。本文综合阐述了环境及临床治疗的电离及非电离辐射对药物代谢酶的影响，辐射条件下药物代谢动力学特征的变化。

1 辐射对机体的影响

辐射可引起脑型、肠型和骨髓型等放射病；辐射早期，细胞变性、凋亡和坏死，严重血管反应和出血，致死性和继发性感染[4]；辐射晚期，造血功能障碍，免疫功能低下，恶性肿瘤发生，顽固性皮肤溃疡，以及多种器官纤维化[5]。免疫系统对辐射极为敏感，当小鼠受到照射后，脾脏、胸腺等免疫器官及淋巴细胞会受到损伤导致免疫功能下降，且其恢复也很缓慢[6-7]。付青姐等[8]通过研究辐射对小鼠脾脏的损伤显示低剂量慢性辐射能降低小鼠的脾脏系数、抑制脾脏淋巴细胞的增殖，对小鼠脾脏造成病理损伤，破坏脾脏细胞的超微结构。康伟祥[9]等研究显示，在紫外诱变超净台(3个紫外灯管285 nm)垂直距离20 cm进行照射，强度为1.5 mW·cm-2，连续30 d条件下，与正常对照组比较，辐射损伤组精子密度精子活动力明显下降、精子畸形率增加，表明辐射损伤组能显著损伤精子的生成。王敏等[10]对于X射线辐射对小鼠(Mus musculus)肾组织结构及功能的影响研究中发现，X射线辐射严重影响肾的组织结构，肌酐、尿素氮等代谢废物不能及时排出，导致肾功能异常。在脐血间充质干细胞对对辐射损伤小鼠造血功能的影响研究中发现，小鼠在2 Gy射线照射剂量进行全身辐射后白细胞总数、淋巴细胞总数、红细胞总数、血红蛋白总数明显下降，与正常组相比差别显著，血清中MDA 含量下降 SOD 活性下降，说明辐射对造血功能产生了损伤[11]。孙恒文等[12]对X射线诱导肺癌SPC-A-1细胞是否发生新的细胞死亡形式Parthanatos(由PARP-1激活导致的细胞死亡)进行研究，结果显示AIF核转位参与了X线诱导的细胞凋亡过程。辐射后12 h AIF由线粒体向细胞核转位显著增多，导致细胞核固缩、碎裂、溶解，细胞发生了Parthanatos。任雪玲等[13]通过研究丙谷二肽对γ射线致小鼠肺组织损伤的防护作用的结果显示，4.0 Gy60Co-γ射线照射3 d后小鼠肺组织SOD活性下降，肺脏指数升高，细胞凋亡率增加，肺组织Bcl-2蛋白表达降低，Bax蛋白表达升高。Yamazaki 等[14]通过动物实验发现经X线照射后味觉的基底细胞几乎消失，照射后8 d，味觉细胞的数量也有所减少，尤其是Ⅱ型味觉细胞，这很可能是导致放疗后味觉功能障碍的原因。

2 辐射对细胞色素P450的影响

2.1 CYP1 UVB照射对人体角质形成细胞[15]、肝癌细胞系HepG2[16]、原代人血淋巴细胞和小鼠HEPA-1细胞[17]中CYP1A1的蛋白质和mRNA有明显的诱导作用，UVA和UVB组合照射对人体角质形成细胞CYP1A1的蛋白质和mRNA有相同的诱导作用，并证明是由色氨酸形成的Ah受体配体介导的[17]。测定长期饮用含铀饮用水的大鼠脑、肝、肺、肾和肠组织中CYP1A1的蛋白和基因表达，结果显示CYP1A1的蛋白和基因表达没有显著变化[18]。

3 Gy的γ射线照射大鼠全身24 h后，CYP1A2的mRNA表达没有变化[19]。5.5 Gy的γ射线照射对CYP1A2有诱导作用，并使CYP1A2的蛋白和mRNA表达均显著增加[20]。大鼠尾静脉注射硝酸铀酰溶液没有引起CYP1A2蛋白和基因表达的变化。

在人体皮肤细胞实验中，UVB能够诱导CYP1B1的mRNA和蛋白的表达[15]，在Behrendt等[21]的研究中显示斑马鱼胚胎及幼虫暴露于UVB照射(8 h)下会诱导CYP1B1 mRNA表达，对CYP1C1，CYP1C2，CYP1D1 mRNA的表达没有影响。

CYP1系列酶中，CYP1A1的表达受紫外辐射诱导影响，不受铀辐射影响。CYP1A2的酶的活性表达受高剂量γ 射线诱导影响，不受铀辐射影响。CYP1B1的表达受紫外辐射诱导影响。CYP1C、CYP1D的表达不受紫外辐射的影响。

2.2 CYP2 低剂量(每天1 mg)长时间(9个月)给予大鼠贫铀饮用水后发现CYP2A、CYP2B、CYP2C活性在肝组织中无变化，而在肾脏中CYP2B1 mRNA表达增加2倍[18]。UVB照射下大鼠肝脏CYP2B的活性同样无变化[22]。大鼠在急性铀辐射条件下[通过尾静脉注射一次硝酸铀酰溶液(5 mg·kg-1)]CYP2B1，CYP2B2在肝脏中的蛋白和mRNA表达无变化，CYP2C11蛋白表达下降80%，mRNA表达下降75%(与对照组相比)，CYP2E1蛋白表达增加2.3倍，mRNA表达增加3倍，酶活性增加[23-27]。

在急性快中子辐照对肝脏的生物学效应实验中发现，快速中子照射后(0、0.25、1、2、4和8 Gy)，CYP2E1的蛋白表达呈剂量依赖性增加[28]。不同条件下γ射线对CYP2E1的影响略有不同，低剂量的连续γ辐射，mRNA表达和蛋白表达降低。低剂量的急性γ辐射，蛋白表达增加，mRNA表达降低。高剂量的急性γ辐射，蛋白表达降低，mRNA表达降低。研究者认为这种变化可能与过氧化过程和氧化应激的发展有关[29]。在乙醇和γ射线照射持续联合影响实验中发现，CYP2E1蛋白表达在第一周升高，而第二周恢复正常[30]。用5.5 Gy γ射线照射大鼠后，与空白组相比，辐射对CYP2B1的酶活性有显著的诱导作用，对CYP2D1的酶活性有抑制作用，但无显著性差异。辐射组CYP2B1 mRNA 和蛋白表达明显上调，CYP2D1 mRNA 表达明显下调，蛋白表达有抑制趋势，但无显著性差异，CYP2E1 mRNA 表达有诱导趋势，但无显著性差异，蛋白表达明显上调[20]。60Co γ 照射大鼠，0.5～1 Gy γ 射线辐射的大鼠肝脏中未发现CYP2E1水平变化，3 Gy γ 照射后24 h CYP2E1的蛋白和mRNA的表达分别增加2.5倍和3.6倍[19]。

大鼠持续服用含铯的饮用水3个月后，在大鼠肝脏中观察到维生素D25羟化酶(CYP2R1)mRNA表达水平增加40%，在脑组织中CYP2R1 mRNA水平降低了20%[31]。Tissandie等[32]研究了137Cs对新生大鼠维生素D生物合成途径的影响，结果发现21日龄大鼠肝脏中CYP2R1 mRNA表达水平下降26 %。

CYP2系列酶中，CYP2B1的表达受 γ 射线诱导有显著影响，但不受紫外辐射影响，CYP2C9的表达受 γ 射线诱导，无显著性差异。 γ 射线对CYP2E1的表达有显著影响。CYP2D1可能为特殊的一种酶，高剂量辐射使大部分药物代谢酶CYP450的表达升高，但CYP2D1的表达降低。在高原低氧条件下CYP2D1的表达升高与大部分药物代谢酶CYP450的表达降低相反[33]。

2.3 CYP3 Chung等[19]在研究中发现大剂量(3 Gy)γ 射线辐射后24 h时大鼠CYP3A的蛋白和mRNA表达没有明显影响，而5.5 Gy 的γ 射线照射对CYP3A4有显著的诱导作用，使CYP3A1的蛋白和mRNA表达均显著增加[20]。长期暴露于贫化铀饮用水的大鼠肝脏内CYP3A活性无显著变化[18]。Guéguen等[34]指出铀辐射的大鼠辐射后第1天肝脏中CYP3A活性降低，但在第3天mRNA水平上升恢复到与对照相似的水平，该变化机制尚不明确。Souidi等[18]研究发现，暴露于含贫化铀饮用水(1 mg·d-1)9个月的大鼠CYP3A1的mRNA表达在肝、脑和肾组织中分别增加3倍、2倍和9倍；CYP3A2的mRNA表达在肝和肺组织中分别增加了2倍和3倍。而UVB和UVA照射不影响CYP3A的活性和表达[22]。

CYP3系列酶，均不受紫外辐射的影响。CYP3A1受高剂量γ 射线及铀辐射影响。CYP3A2受铀辐射影响使表达上升。

2.4 其他系列酶 在人体皮肤细胞体外辐射实验中，UVA和UVB联合照射及UVA照射诱导CYP4A11的蛋白和mRNA表达，而单UVB照射时未检测到CYP4A11 mRNA表达。UVA和UVB联合照射轻微诱导CYP19A1 mRNA的表达[35]。大鼠3个月饮用受137Cs污染的水6 500 Bq/l(150 Bq·d-1)，CYP7A1在肝组织的活性无变化，mRNA表达未受影响[36][37]。急性贫铀辐射对大鼠肝脏CYP7A1活性无影响[34]。而9个月的低剂量(40 mg·kg-1)贫铀辐射影响下大鼠肝脏中CYP7A1活性降低，CYP7B1的mRNA表达减少[38]。

莫琳芳[39]发现γ射线显著降低大鼠胆固醇7-羟化酶CYP7A1的mRNA表达，且随累积剂量的增大，表达下调程度增加。低剂量(0.09 Gy·h-1)γ射线连续照射14、28和45 d后，CYP7A1的mRNA表达分别是对照组的0.396、0.228和0.140倍。

Racine等[40]发现慢性铯辐射诱导了分解代谢胆固醇的CYP27A1的酶活性。暴露于含Cesium-137(铯-137)饮用水3个月的大鼠脑组织中CYP27B1的mRNA表达水平增加35%[31]。检测接受慢性铯辐射的21日龄大鼠肾脏的CYP27B1的表达变化，发现CYP27B1的mRNA表达水平降低39%，表明铯辐射诱导维生素D代谢改变[32]。

大鼠接受贫铀(204 mg·kg-1)灌胃给药，第1天CYP27A1的mRNA表达、活性无明显变化，CYP27B1表达增加11倍；第3天CYP27A1的mRNA表达增加3倍，CYP27B1表达增加4倍[41]。大鼠接受慢性贫铀后，脑组织中CYP27A1的活性先下降后增加，mRNA水平下降32%，肝脏中CYP27A1的mRNA表达和活性无变化，在肾脏中CYP27B1的mRNA表达没有发生变化[42]。

Marchenko等[43]研究了辐射对大鼠肝脏中部分解毒酶活性的影响，结果发现低剂量X射线抑制细胞色素P450和谷胱甘肽-S-转移酶活性。高放射性污染区域人体胎盘样本中GST活性和mRNA水平下调[44]。

有关辐射对其他药物代谢酶如Ⅱ相代谢酶、和药物的影响尚未见文献报道。

表1 辐射影响CYP450(上升：↑;下降：↓;无影响：―)

表1(续)

3 展望

放射治疗是恶性肿瘤的有效治疗方式之一，参与了70%左右的癌症患者治疗癌症的过程，每100个被治愈的肿瘤患者中，就有40人通过放射治疗获益。除此之外，从事与放射相关的工作人员和高原地区居民也是可能受到辐射损伤的人群。因此这些人群的个体化用药，逐渐成为医学和药学科研人员研究的重点。

辐射对药物代谢酶的影响研究大多为Ⅰ相代谢酶，对二相代谢酶的影响相对较少，二相代谢酶主要包括葡萄糖醛酸转移酶、谷胱甘肽-S-转移酶、N-乙酰基转移酶等，其作用是催化药物或代谢物与内源性小分子的葡萄糖醛酸、谷胱甘肽和乙酰基结合，形成极性化合物从尿和胆汁中排出。近年来人们对二相酶的关注度逐渐上升，Nrf2(Nuclear factor (erythroid-derived2)-like 2 protein)是这些二相酶最重要的转录因子，自由基和绿色蔬菜中的一些物质如姜黄素是这种酶的诱导因子，而这些物质具有抗氧化、抗癌作用，是目前国际上的研讨热点。因此应加强辐射影响二相代谢相关酶的研究。

在辐射源的选择方面，目前的研究主要集中在电离辐射对细胞色素酶的影响，且X射线的相关研究少于γ射线、铀辐射以及铯辐射。而非电离辐射的相关文献报道较少，非电离辐射主要来源于紫外线辐射、红外线辐射、射频辐射、激光等。全世界有3 800万高原地区居民长期受到紫外线的影响，在高原特殊环境中，紫外线对药物代谢的影响应受到足够的重视，对急进高原和久居高原人群合理用药有指导意义。同时，一些长期处于非电离辐射环境中工作的人们由于受辐射影响导致一些疾病的发生，因此应对非电离辐射对细胞色素酶的影响进行系统的研究以对其防护及临床用药提供理论依据。

实验对象的选择大多为动物，人体的相关研究较少，但由于动物与人体药物代谢的差异性是不可避免的，因此对人体药物代谢动力学的试验应受到重视，尤其对放疗后的肿瘤患者药物代谢酶的变化的监控及研究，从而及时给予相应的临床给药方案和后续的手术治疗。

大量研究显示，辐射对药物代谢酶的影响主要集中在CYP450酶及其相关药物的蛋白和mRNA表达方面，而对其活性影响的研究较少。应扩大研究范围，并加强探讨不同辐射源的影响及其机制。同时，对不同辐射条件、不同物种及不同细胞色素酶进行系统性的研究。以及如何对受辐射人群进行合理有效的用药，极具研究潜力，可以为指导临床合理用药提供了一定的科学依据。