铬化合物对健康影响的研究进展

文章编号:100028020(2003)0420410203

卫　生　研　究

JOURNALOFHYGIENERESEARCHVol.32　No.4Jul.　2003　

・综述・

铬化合物对健康影响的研究进展

史黎薇

中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所,北京　100021

摘要:综述了铬化合物(Cr)在自然界的存在形式,工业用途及其对健康的影响,尤其是讨论了铬中间产

物Cr(VΠIV)的形成及其毒性,以及它们对DNA损伤的机理,进而得出结论:铬中间产物是造成DNA损伤的主要化合物,但活性自由基的作用也不可忽视。

关键词:铬中间产物　DNA损伤　健康影响

中图分类号:R13511　R730123113　O6141611　　　　　　文献标识码:A

Studiesontheeffectsofchromiumcomplexes

ShiLiwei

InstituteforEnvironmentalHygieneandHealthRelatedProductSafety,ChineseCenterfor

DiseaseControl,Beijing　100021,China

Abstract:Theexistenceofchromiumcomplexesinnature,theirindustrialuses,andtheirhealthimpactswerereviewedinthispaper.ThetoxicandtheformationofCr(VΠIV)complexesandthemechanismsofDNAdamagewerediscussedinparticular.ThemajordamagingspecisesresponsibleforthegenotoxicitywereCr(V)orCr(IV)complexes.However,thefunctionofreactiveorganicintermediatescouldnotbeexcluded.

Keywords:chromiunintermediants,DNAdamage,healthimpact

　　近些年来铬化合物的营养价值和致病机理一直是学术界争论的焦点。三价铬Cr(III)化合物被认为是毒性最小的化合物,同时它对糖尿病起到一定的治疗作用,因此被用作营养补充剂。六价铬化合物Cr(VI)在上世纪就被认为是一类致癌物之一。由于铬有很多重要的化学性质,它在工业上用途极广。流行病调查显示职业铬暴露与呼吸系统癌症密切相关,因此由铬导致的癌症引起人们的极大关注。究竟是铬化合物以何种形式引起疾病,它的致病机理如何目前一直是学术界争论的焦点。目前这方面的工作国内开展的不多。本文总结了铬在自然界的存在形式,工业用途,对健康的影响,探讨了铬化合物损伤DNA的机理,为今后进一步认识铬化合物在人体内的作用打下基础。

许浓度定为0105mgΠL。土壤中铬的含量与形成这些土壤的母石的组成有关,一般说来,土壤中铬的浓度范围从01005～

115mgΠL,空气中的铬主要以三价形式存在,并且其浓度随着

地域的不同而不同,主要来源于工业污染。唯一的市售的铬金属是铬铁矿。其组成一般是铁与氧化铬的混合物FeO・

Cr2O3。第一个生产铬金属的方法是光热处理,最终产物是铬

及氧化铬的混合物,另一个普遍采用的生产铬金属的方法是硅热处理。112　工业用途以及职业接触情况

铬主要用于制造工业。含铬的合金可以增加金属的机械性能,如增加抗拉及坚硬度等,还可以改善金属的化学特性如耐磨及耐腐蚀性等。六价铬常用于印染,木材防腐保存,有机合成及某些催化剂的制造,铬还用于皮革染色等。

随着人们对铬元素的化学性质的认识,铬化学近来发展很快,许多从事冶炼、印染、制革等职业的工人,通过吸呼及皮肤直接接触铬的机会大大增加。据报道共有104种职业存在着潜在接触铬的机会。由于铬的应用非常广泛,因此很难确定铬的职业接触量到底有多少,但是,职业接触铬肯定是引发呼吸系统癌症的主要因素[1]。据流行病调查显示,在斯堪地那维亚(Scandinavian)钢铁厂废气中排出的Cr(VI)的浓度范围

3

在015～2mgΠm,这与1982年美国推荐的空气中铬含量为

1　铬在自然界的存在形式,工业用途以及职业接触

情况

111　铬在自然界的存在形式

元素铬在地壳中的储量排在第10位,并且以多种氧化态

形式存在(从21价至+6价)。三价铬[Cr(III)]及六价铬[Cr(III)]是自然界水中主要的存在形式,但由于它们的浓度很低,故很难测定。水中的铬来源于矿物冶炼过程,泥土及沉淀的淤泥中可溶性的有机铬,自然沉降等。美国规定水中铬允

基金项目:AustraliaResearchCouncil,theUniversityofSydneyCancer

ResearchFund

50ngΠm高出许多倍。

3

2　铬对健康的影响

由于铬的毒性及营养价值的双重作用,它对人体的健康

作者简介:史黎薇,女,硕士,副研究员

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第4期史黎薇.铬化合物对健康影响的研究进展411

影响一直是学术界争论的焦点。在生理pH范围内,Cr(VI)比Cr(III)更容易穿透细胞膜而进入细胞中。由于Cr(III)在动物实验中观察到参与葡萄糖代谢而被认为是人体的必须元素,至少被认为是有益的元素[2,3]。另一方面Cr(VI)一直被认为是有害健康的,并被列为一级有毒物质之一[4]。虽然Cr(VI)在生理pH值范围内不与DNA反应,它的主要毒性在于Cr(VI)被还原成Cr(III)时,由于细胞内存在其它还原性物质,使这个还原过程中产生很多中间产物,如Cr(IV)及Cr(V)等化合物,而这些中间产物可以和DNA反应而造成DNA解旋或断裂。

铬通过三种方式如皮肤接触、食物摄入及呼吸进入人体。由于Cr(VI)具有很强的氧化性,它可氧化皮肤表面蛋白,自身被还原成Cr(III)。通过消化道吸收Cr(VI)的含量很低,这是由于胃酸很快将其还原成Cr(III),通过消化道吸收的Cr(III)一般在015%～3%。2001年美国食物与营养委员会推荐的

μμ铬的摄入量是:婴儿012～515gΠd,成人20～40gΠd。

通过呼吸道吸入Cr(VI)越来越引起人们的重视,因为职业接触Cr(VI)的癌症患者基本上是呼吸系统病变。职业接触Cr(VI)与呼吸道癌症的关系早在20年前流行病调查中已得到确认[4,5]。Cr(VI)颗粒的吸收是由粒子的可溶性及大小决定,铬化合物可溶性越大,越容易通过呼吸道吸收。不溶性的

μ颗粒物的吸收由颗粒的大小决定,小颗粒(015m)的吸收一般是吸附并保持在肺泡中,直到被巨噬细胞吸收为止。长期接触Cr(VI)的临床症状包括皮肤溃疡、鼻粘膜穿孔、肝炎及喉炎、哮喘及呼吸道癌症(主要是鼻癌及肺癌)。1990年芬兰职业卫生部的调查数据表明与铬有关的癌症患病率占25%,其次是Ni(20%),石棉(15%)及苯(4%)。

实验表明,在生理pH范围内,当反应体系无任何还原剂存在时,Cr(VI)并不与DNA反应,当有还原剂存在时,如葡萄糖、抗坏血酸、谷胱甘肽等,大部分Cr(VI)化合物被还原成Cr(III)化合物,只有小部分Cr(VI)化合物在被还原过程中产生Cr(VΠIV)中间产物,而这两种化合物对DNA有明显的解旋作用。上述还原性物质是人体内普遍存在的还原剂,故Cr(VI)化合物对人体的毒性是因为其在还原过程中形成的中间产物损伤DNA。还原剂在反应中起2种作用:(1)参与Cr(VI)化合物的氧化还原反应;(2)稳定反应产物Cr(V)化合物。Cr(IV)化合物目前研究的很少,这是因为:它在水溶液中不稳定及没有适当的检测手段。室温条件下顺磁共振波谱仪(EPR)对Cr(V)化合物检测比较灵敏,而对Cr(IV)化合物的检测响应不大,因而造成研究困难。与之相反,对Cr(V)化合物的研究相对比较多,某些Cr(V)化合物的结构根据EPR及X光衍射谱图已经确定,因此对研究Cr(V)化合物在生理pH范围内造成

DNA损伤机理探讨起了重要作用。

与Cr(VI)不同,Cr(III)化合物相对稳定且不易穿透细胞

显示Cr(III)可以与DNA的磷酸骨架及鸟嘌呤的N27原子缓慢结合[6],因此,Cr(III)离子也可能有毒性。另外,最新细胞培养实验结果也表明Cr(III)化合物在细胞内可被氧化成Cr

(VI)化合物[7,8],对职业接触Cr(III)的工人可能会有长期的

健康效应。至于DNA链上的Cr(III)在细胞内的毒性到底如何,目前研究的还不是很多,有待于进一步探讨。到目前为止还没有发现有职业接触Cr(III)引起的癌症,但皮肤过敏相对普遍。

3　铬化合物致癌的反应机理

311　铬在细胞内的代谢

了解Cr(VI)在细胞中的代谢对理解由铬导致致癌机理是

非常重要的。Connett和Wetterhahn1983年第一次提出铬进入细胞内的模型,随后由其他研究者进行了修改[9]。

--2-由于CrO2与SO2HPO4离子结构相似,核电核数相44Π-2-同,因此它很容易通过SO2HPO4离子通道进入细胞中。4Π

一但Cr(VI)化合物进入细胞中,它很容易被细胞内存在的各种还原性物质所还原,这些还原物质可分为:含氨基酸的硫化物,羧酸,小分子肽,维生素,多糖,核苷酸等。Cr(VI)的氧化还原反应可引起多种DNA损伤,产生Cr2DNA加合物,DNA2

DNA交联,DNA2蛋白质交联,去碱基化及氧化反应等。最有

可能损伤DNA的化合物是Cr(V)化合物,Cr(IV)化合物及自由基,致于究竞是自由基还是Cr(V)及Cr(IV)化合物损伤

DNA目前还在争论之中,有关实验证明Cr(V)或Cr(IV)化合

物是引起DNA损伤的主要化合物[10],但自由基在其中的作用也不可忽视。由于Cr(VΠIV)化合物可引起DNA多种损伤,因此反应机理不一定局限与一种。下面介绍一个大多数研究者普遍认同的反应机理。

312　铬引起DNA损伤的可能反应机理

综上所述,最有可能损伤DNA的铬化合物是Cr(VΠIV)化合物。由于Cr(IV)化合物迄今为止研究的不多,故在这里不进行详细的讨论。本文重点讨论Cr(V)化合物造成DNA损伤的反应机理。与Cr(VI)化合物相似,Cr(V)化合物同样有很高的穿透哺乳动物肺细胞膜的能力[11],这就使得除了Cr(VI)在细胞内被还原时产生Cr(V)中间产物外,体外产生的Cr(V)化合物也可以进入细胞内并在细胞内引起DNA损伤。研究最多的Cr(V)化合物是Na[CrO(ehba)2],这种化合物易于合成与提纯,在避光情况下可以保存很长的时间,同时配体22乙基22羟基丁酮(ehba)是体内存在的如柠檬酸及乳酸盐等含羟基的典型分子,另外,Na[CrO(ehba)2]的结构已经单晶X光衍射及液相X光吸收光谱(XAFS)确定[12]。

自从第一次观察到体外Na[CrO(ehba)2]在微酸状态下

(pH318～418)可以解旋DNA后,其它研究者发现在生理pH

膜,但Cr(VI)化合物可在细胞内被还原成Cr(III),因此Cr(III)可能在细胞内也有生物作用。Cr(III)的营养价值表现为动物实验中发现Cr(III)参与了葡萄糖的代谢,因而用于治疗II型糖尿病、肥胖症及心血管疾病。Cr(III)化合物的毒性表现为当Cr(V)在细胞内解旋DNA时,从反应机理可看出经过解旋的(即使被修复的)DNA,它的链上始终含有Cr(III)基团,与未参与过反应的DNA存在明显不同。此结论间接的被实验所证实。如CrCl3,在水介质中可以和DNA结合,最新研究结果

值范围内Cr(V)化合物也可以解旋DNA及核苷酸(nucleotides)。Cr(V)化合物的寿命随着Cr(V)浓度的不同而不同,并且与反应体系的配体种类,pH值及反应介质有关。

反应机理主要有两种路径(反应介质是丙酮或磷酸缓冲液pH515～715),(1)有氧参与的在脱氧核糖环的C24’位置形成氢键而脱氢;(2)无氧参与的碱基释放机理。通过测定反应产物,认为脱氧核糖环的C24’上的氢易于与Cr(V)化合物结合形成氢键,进而夺取氢原子或氢离子而分别产生DNA自由

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412卫　　生　　研　　究第32卷

基或DNA正离子。DNA自由基在有氧或无氧参与情况下被

氧化而断裂。另一方面,有机分子如乙醇、草酸、二甲亚砜(DMSO)及常用的缓冲液如三羟甲基氨基甲烷(Tris)等,在pH7时还可以修复DNA自由基。另外DNA阳离子还可通过无氧参与路径释放碱基使DNA的脱氧核糖环断裂。最新研究成果对上述机理又进行了进一步修改,认为当Cr(V)化合物与C24’上的氢结合形成Cr(V)—DNA后,发生分子内一个电子转移而形成Cr(IV)—DNA・中间产物,然后进一步解旋DNA。这个结论是否正确还需进一步验证反应中间产物Cr(IV)—DNA・的存在。直接证明Cr(IV)—DNA・的存在比较困难,因为它的存在非常短暂。目前对这个中间产物的认识还不清楚,还需进一步证实。

从以上机理可看出Cr(III)2DNA无论在哪种情况下,即使是在有抑制剂如有机分子的存在状况下也可产生。目前这种加合物的毒性还不清楚,也可能在体内的毒性比Cr(IVΠV)的还大,这是因为:(1)后者很容易被细胞内存在的还原剂所还原;(2)Cr(III)2DNA加合物从动力学角度讲比较惰性,与氧化的DNA相比,不易被酶所修复与重组;(3)个体在暴露Cr(VI)后形成的Cr(III)可以在细胞内蓄积,并在体内存在相当长的时间[3]。

另外学术界还提出了另一种铬化合物引起DNA损伤的反应路径[14]。它认为无机高价金属化合物是强氧化剂,与还原性物质作用可产生・OH,而・OH是主要的使DNA损伤的毒性物质,这是因为在细菌细胞中由铬引起的突变有O2的参与,且在旋转捕捉实验(DMPO)中发现有DMPO2OH加合物,并[14,15]

认为它是DMPO与・OH的反应产物,但他们没有考虑到[16]

强氧化剂如Cr(VΠIV)也可以生成同样的产物,其它体外实

[17]

验结果也对・OH的作用提出疑问,这些实验包括用Cr(VI)处理的细胞及Cr(VI)氧化DNA。反应结果证明・OH的扩散是非常有限的,因此不是主要的引起DNA断裂的物质,但是活性氧化自由基(ROS)的作用并不能忽视,这是因为这些反应还会产生ROS[18]。当有高价过度金属中间产物存在时,ROS在氧化DNA机理方面的作用目前有一些报道,但还不能完全解释实验结果。有关ROS的作用还需有关工作者继续进行深入探讨。

(III)的营养作用提出了疑问,因此Cr(III)在人体内的作用还

需进一步探讨,尤其是它与胰岛素的反应机理还需进一步认识。

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(2002212202收稿)

4　小结

本文总结了目前铬化合物在无机生物化学方面的研究进

展。了解铬化合物的生物活性比较困难,因为它的化学价态比较多,因而它的氧化—还原反应及配体的交换能力差别很大。有两大方面的工作是今后发展的方向。(1)根据现有的实验结果证明Cr(VI)的毒性只有当体系中存在还原剂时才能表现出来,故体外实验体系Cr(VI)+还原剂+氧气+DNA是今后Cr(VI)化合物毒性的研究方向;同时,目前的机理研究还仅限于DNA链上的解旋,其对基因表达的影响将是未来的发展方向;(2)Cr(III)化合物通常指CrCl3和Cr(NO3)3,而未考虑其在水溶液中易水解而改变其原有的化学性质。目前对Cr(III)的生物作用认识还不是很清楚,有些实验结果还对Cr

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