揭秘化学武器砷化合物：皮肤损伤机制与潜在解毒新线索

为解决对 DPCA、DPCYA 和 DECA 等化学武器砷化合物皮肤及全身毒性认知不足的问题，美国阿拉巴马大学伯明翰分校等研究人员开展相关研究，发现其损伤机制与 lewisite 相似。该成果为开发通用解毒剂提供线索，值得科研读者一读。

　　

在化学的神秘世界里，砷化合物（arsenicals）就像一群危险的 “小怪兽”，对人类和环境都有着不小的威胁。无机砷化合物，比如三氧化二砷（As?O?）和砷化氢（AsH?），在工业领域有着重要作用，但它们毒性很强，要是人们不小心接触到高浓度的这些物质，可能会有生命危险。而有机砷化合物，更是 “狠角色”，在第一次和第二次世界大战期间，它们被当作化学武器（CWAs）来对付敌方人员。像二氯（2 - 氯乙烯基）胂（lewisite）、二苯基氯胂（DPCA）、二苯基氰胂（DPCYA）和二乙基氯胂（DECA）等，都是这类危险的化学武器。

这些化学武器被制造出来后，命运却各不相同。有的被储存起来，有的被埋在地下，还有的被倾倒进了水体。可问题来了，随着时间的推移，一些被掩埋的化学武器在亚洲和欧洲国家的建筑工地被挖掘出来，导致许多工人意外接触到这些有毒物质。在波罗的海，腐蚀的弹药也在污染海水，让海洋生物深受其害。由此可见，无论是无机砷化合物还是有机砷化合物，都对环境和人类健康构成了严重的威胁。

在这些化学武器中，lewisite 因其快速起疱和高毒性而 “臭名昭著”，它不仅能对皮肤造成伤害，还会影响全身。之前的研究已经让我们对 lewisite 的危害有了一定了解，但关于 DPCA、DPCYA 和 DECA，人们知道的却很少。虽然它们曾被当作催吐剂来攻击敌人的鼻腔，引发呕吐、打喷嚏和头痛等症状，但它们对皮肤和全身的毒性到底如何，还不清楚。而且，不同结构的化学武器，它们导致皮肤损伤的分子机制也还是个谜。要是能搞清楚这些机制，就能开发出有效的医疗对策（MCM）来减轻它们的毒性，所以这方面的研究十分重要。

为了揭开这些谜团，美国阿拉巴马大学伯明翰分校和 MRIGlobal 的研究人员在《Scientific Reports》期刊上发表了一篇名为 “Comparative cutaneous pathogenesis of warfare arsenicals: Identification of common signaling pathways” 的论文。研究人员发现，这些化学武器大多是强效的皮肤刺激物，会引发与 lewisite 类似的炎症和组织破坏反应。它们造成皮肤损伤的分子机制也和 lewisite 相似，这意味着为 lewisite 开发的解毒剂可能对其他化学武器也有效，不过这还需要进一步研究来证实。这一发现意义重大，为后续开发通用的解毒剂提供了重要线索，有望帮助人们更好地应对这些化学武器带来的威胁。

研究人员在这项研究中使用了多种技术方法。他们用小鼠进行实验，在实验前，先给小鼠进行随机分组。实验时，给小鼠皮肤涂抹不同的砷化合物，之后观察小鼠皮肤的变化，并用改良的 Draize 评分（包括红斑评分、水肿评分和坏死评分）来评估皮肤损伤程度，还使用电子数字卡尺测量皮肤双折厚度。研究人员还对小鼠皮肤进行了组织学评估，通过苏木精 - 伊红（H&E）染色，在显微镜下观察炎症细胞浸润和表皮与真皮分离（微水疱形成）的情况。另外，他们运用免疫组织化学、免疫荧光染色、活性氧（ROS）定量、nanoString 分析、逆转录聚合酶链反应（RT - PCR）、蛋白质免疫印迹（Western blot）分析、末端脱氧核苷酸转移酶 dUTP 缺口末端标记（TUNEL）检测等技术，从不同角度深入研究砷化合物对小鼠皮肤的影响，最后用 GraphPad Prism 软件进行统计分析，确定实验结果是否具有显著性差异。

下面我们来看看研究人员都发现了什么。

不同结构砷化合物导致的皮肤损伤特征

研究人员给 Ptch1??/SKH - 1 无毛小鼠的背部皮肤分别涂抹 6.381mg/kg 的 DPCA、6.154mg/kg 的 DPCYA 和 4.064mg/kg 的 DECA，观察不同时间点的皮肤变化。结果发现，涂抹 DPCA 和 DPCYA 后，小鼠皮肤在 6 小时和 24 小时就变得又厚又皱，72 小时后还出现了皮肤疤痕，而涂抹 DECA 的小鼠在 72 小时内都没有这些明显变化。从皮肤双折厚度和 Draize 评分来看，DPCA 和 DPCYA 处理的小鼠随着时间推移显著增加，而 DECA 处理的小鼠变化不明显。对皮肤进行 H&E 染色后发现，DPCA 和 DPCYA 处理的小鼠在 6 小时和 24 小时有大量炎症细胞浸润，72 小时时皮肤坏死区域的表皮细胞完全消失；DECA 处理的小鼠组织形态和免疫细胞浸润与对照组相比没有明显变化。而且，DPCA 和 DPCYA 处理的小鼠在 6 小时和 24 小时出现微水疱的几率更高，DECA 处理的小鼠则不明显。另外，研究人员还检测了小鼠血液中的砷含量，发现只有 DPCA 和 DPCYA 处理的小鼠血液砷含量显著增加，这表明 DECA 经皮肤吸收进入全身循环的能力较差，这也解释了为什么 DPCA 和 DPCYA 的皮肤和全身毒性比 DECA 高得多。

砷化合物处理小鼠皮肤中免疫细胞浸润的特征

研究人员通过免疫组织化学染色，观察了 DPCA、DPCYA 和 DECA 处理小鼠皮肤中免疫细胞的浸润情况。结果发现，在浸润的免疫细胞中，巨噬细胞占比很大。定量分析显示，DPCA 和 DPCYA 处理的皮肤中巨噬细胞浸润在 6 小时达到峰值，之后逐渐减少。而髓过氧化物酶（MPO，一种中性粒细胞的生物标志物）染色表明，DPCA 和 DPCYA 处理还会导致中性粒细胞浸润，且 72 小时暴露组的中性粒细胞浸润明显高于早期时间点。相比之下，DECA 处理的小鼠皮肤中，巨噬细胞和中性粒细胞的浸润都不明显。研究人员还用 nanoString 数据分析了不同免疫细胞的相对丰度，发现 DPCA 和 DPCYA 处理的小鼠皮肤中，巨噬细胞和树突状细胞的总体丰度比对照组高，而耗尽的 CD8? T 细胞丰度降低；DECA 处理的小鼠皮肤中，这些浸润细胞类型的丰度没有明显变化。此外，RT - PCR 分析表明，DPCA 和 DPCYA 处理后，小鼠皮肤中促炎细胞因子 IL6 和 IL1β 的 mRNA 水平显著增加，而 DECA 处理的小鼠则没有明显变化。

不同结构砷化合物诱导的炎症基因表达谱

研究人员对小鼠皮肤样本进行 nanoString 分析，以了解 DPCA、DPCYA 和 DECA 诱导的皮肤炎症情况。分析发现，在 254 个炎症基因中，DPCA 和 DPCYA 共同改变了 45 个炎症基因的表达，DECA 则改变了 30 个基因的表达。在 DPCA 和 DPCYA 共同改变的基因中，Csf3、Cxcr2、Tnfsf14 等基因上调，Cxcl9、Cysltr2 等基因下调；DPCA 还独特地上调了 Kng1、Cd163 等基因，DPCYA 则独特地上调了 Cxcl1、Il6 等基因。而在 DECA 改变的基因中，只有 Irf3、Il2 和 Il22ra2 这 3 个基因上调，其他大部分基因下调。进一步分析发现，DPCA 和 DPCYA 处理后，小鼠皮肤在应对氧化应激、炎症、细胞因子 / 趋化因子信号传导和信号转导等方面的通路得分增加，而抗凋亡通路得分降低；DECA 处理则没有这些明显变化。

砷化合物破坏紧密连接和黏附连接与氧化应激和内质网应激增强有关

之前研究发现 lewisite 和苯基胂氧化物（PAO）会增强小鼠皮肤的 ROS 产生，所以研究人员也对 DPCA、DPCYA 和 DECA 进行了检测。结果发现，这三种砷化合物处理的小鼠皮肤中 ROS 水平都显著增加，其中 DECA 诱导的 ROS 水平最高。氧化应激会干扰内质网（ER）中的蛋白质折叠，导致蛋白质错误折叠和 UPR 信号通路加剧。Western blot 分析证实，DPCA、DPCYA 和 DECA 处理的小鼠皮肤中，UPR 信号转导转录因子 ATF4 和 CHOP 上调，不过 DECA 只有在 72 小时时才诱导出这些蛋白质。细胞间的紧密连接和黏附连接对维持皮肤上皮细胞的黏附和屏障功能至关重要，免疫荧光染色显示，DPCA 和 DPCYA 处理会破坏 Yap 和 α - catenin 等黏附连接相关蛋白以及 ZO - 1 等紧密连接相关蛋白的表达和膜定位，而 DECA 处理的影响则很小。

砷化合物暴露导致小鼠皮肤内质网应激相关的细胞死亡

研究人员发现，DPCA 和 DPCYA 处理会增加 ER 应激调节转录因子 ATF4 和 CHOP 的表达，而 CHOP 表达增加与细胞凋亡有关。TUNEL 检测显示，DPCA、DPCYA 和 DECA 处理后，小鼠皮肤中 TUNEL 阳性的表皮细胞数量逐渐增加，不过 DECA 处理的小鼠 TUNEL 阳性细胞数量比 DPCA 和 DPCYA 处理的少。Western blot 分析检测到 DPCA 和 DPCYA 处理的小鼠皮肤中有切割的 caspase 3 表达，证实了它们能诱导细胞凋亡，而 DECA 处理的小鼠皮肤中则没有明显的切割 caspase 3。

综合这些研究结果，研究人员发现大部分化学武器级砷化合物都是强效的皮肤刺激物，会引发与 lewisite 类似的炎症和组织破坏反应。它们导致皮肤损伤的分子机制相似，都涉及氧化应激增强、紧密连接和黏附连接破坏以及 UPR 信号通路激活，最终引发细胞凋亡。而且，不同化学武器对皮肤损伤的严重程度有所不同，顺序为 lewisite＞DPCA≥DPCYA＞DECA。

这项研究意义非凡，它首次在摩尔等效剂量下对多种化学武器级砷化合物的皮肤发病机制进行了比较，发现了它们导致组织发病的共同潜在机制。这为开发通用的解毒剂提供了重要依据，让我们在应对化学武器威胁的道路上迈出了重要一步。不过，研究人员也表示，为 lewisite 开发的解毒剂对其他化学武器是否真的有效，还需要进一步研究来验证。未来，科研人员还将继续探索，为保护人类健康和安全努力。