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本博士论文的研究内容分为两个部分：第一部分为威百亩与铜、锌离子协同细胞毒性作用机理的研究。第二部分为巯基化合物卡普托利、青霉胺对重金属离子解毒机理的研究。
第一部分：威百亩与铜、锌离子协同细胞毒性作用机理的研究
目前我们对环境污染物毒性的认识主要来源于对某单一化学物质在相对高浓度情况下的研究。然而，人们在其一生中很少只暴露于单独某一种化学物质，而是同时暴露于多种低浓度的化学物质。从公众健康的角度讲，大家主要担心的是当两种和两种以上化学物质相互作用时，二者能否产生不同寻常的协同毒性。
威百亩(Metam Sodium，N-甲基二硫代氨基甲酸钠)主要用作熏蒸剂。作为甲基溴的替代品，其毒性相对较低，在美国农药使用量位居第三位，在中国正被越来越广泛地使用。铜、锌离子是人体必需金属元素。含铜、锌化合物广泛应用在工农业生产中，用作杀菌剂、食品添加剂及材料保护剂。由于威百亩和含铜、锌农药皆被用作通用杀虫剂或材料保护剂，二者在许多农田和木材保护处理场所附近的土壤和水体以及在普通人群的体液和组织中，均发现同时共存。虽然关于威百亩和含铜、锌农药各自的毒性研究很多，但是二者的复合毒性却鲜有报道。
为了研究威百亩和含铜、锌化合物两者之间的复合毒性，我们首先采用人肝癌细胞HepG2细胞作为模型，通过MTT实验，观察二者共存是否会产生协同毒性。我们发现，威百亩和硫酸铜或硫酸锌在单独使用均无毒性的浓度下，同时使用时会产生明显的协同毒性效应。单独的威百亩、铜离子、锌离子对HepG2细胞的半数致死剂量IC50分别是5mM，400μM和300μM。然而同时暴露时，当威百亩浓度为1mM时，铜、锌离子对HepG2细胞的IC50分别降至5μM和30μM。进一步的研究发现，威百亩与铜、锌离子对其它类型细胞(包括人肺癌细胞A549、小鼠单核巨噬细胞Raw264.7、人肾近曲小管上皮细胞HK-2、人肝正常细胞株HL-7702、QSG-7702)、化学发光细菌、土壤软体模式生物蚯蚓也具有类似的协同毒性效应。
我们发现，威百亩能够与铜、锌离子产生协同毒性的原因可能是由于形成了中性的亲脂性络合物，从而使更多的铜、锌离子透过细胞膜进入细胞内，使胞内铜、锌离子浓度显著增加，导致细胞质内还原态GSH与氧化态GSSG比率降低，活性氧增多，诱导细胞毒性。
通过相差显微镜非染色/染色观察、激光共聚焦显微镜荧光染色、FITC-PI流式细胞术、实时荧光定量PCR以及蛋白印迹等多种方法，发现威百亩与铜、锌离子协同作用导致HepG2细胞死亡方式不同：威百亩/铜离子复合处理诱使HepG2细胞膜出泡、塌陷、对称性消失(细胞膜内侧磷脂酰丝氨酸外翻)、整个细胞膜依然完整相连、细胞质中细胞骨架皱缩导致细胞质核和染色体浓缩等典型的凋亡特征。同时，它们也显著激活了HepG2的凋亡信号通路，关键凋亡蛋白酶Caspase9、8、3、7等被活化，线粒体外膜抗凋亡蛋白BCL-2表达降低，而促凋亡蛋白Bax家族蛋白则显著增加，导致线粒体膜通透性增大，细胞色素c释放和线粒体膜电位下降，诱导HepG2细胞发生凋亡。而威百亩/锌离子复合处理则使HepG2细胞肿胀、细胞膜边缘模糊、细胞骨架稀疏且出现空洞等。进一步研究证实，威百亩/锌离子可能是通过细胞坏死的方式诱导HepG2细胞死亡。综上所述，威百亩与铜离子对HepG2细胞的协同毒性作用主要是诱导细胞凋亡，而威百亩与锌离子则可能是通过细胞坏死的方式诱导HepG2细胞死亡。
进一步的研究发现，威百亩-铜、威百亩-锌的络合物与谷胱甘肽、半胱氨酸共同存在时，威百亩-锌中的锌更容易被竞争下来，与谷胱甘肽、半胱氨酸形成新的络合物。而威百亩-铜则可以把谷胱甘肽、半胱氨酸氧化为相应的二聚体形式。威百亩-铜离子络合物的稳定性高于威百亩-锌离子络合物的稳定性。因此其更易于通过细胞膜，进入细胞后发生氧化还原反应和置换反应，使过量铜离子从复合物解离，从而与胞内凋亡相关靶分子相作用，导致细胞发生凋亡。而威百亩-锌高子络合物可能由于他们之间的络合力比较小，其穿透细胞膜的能力较弱，故而其形成的复合物主要以积累和吸附于细胞膜上为主，也可能在通过细胞膜上的过程中，威百亩-锌离子络合物中的锌离子被细胞膜上丰度很高的半胱氨酸直接的夺取形成新的络合物，而导致细胞膜受损，从而使细胞发生坏死。
第二部分：巯基化合物卡普托利、青霉胺对重金属离子解毒机理研究
在研究威百亩与金属离子协同毒性时，我们发现二价镉和六价铬离子单独存在时即对HepG2细胞具有较强毒性，其IC50分别为25μM和2.5μM。在本部分研究中，我们发现含巯基类化合物如卡普托利、青霉胺能有效抑制二价镉和六价铬离子对HepG2和QSG-7701细胞的毒性作用，其中青霉胺的抑制效应强于卡普托利。进一步通过液-质联用的方法观察发现，卡普托利和青霉胺主要是通过分别与镉形成1：1，2:1的亲水性络合物而抑制二价镉离子的毒性效应；而对于六价铬离子，则主要是通过与其发生氧化还原反应，卡普托利、青霉胺被氧化成相应的二聚体，而六价铬离子被还原成三价铬离子的形式而产生解毒效应。