（环境科学专业论文）焦亚硫酸钠对大鼠背根节神经元膜离子通道的影响.pdf

山西大学2 0 0 6 扁碳：l 学位论文摘要 的影响强于t t x s 钠通道。最后我们观察了s m b 对d r g 神经元上l 型高电压激活的钙( ，c 。) 电流的作用。结果显示，s m b 对丘。电流也有显 著增大作用。使其增大的半数有效浓度为l p m 。并且1 9 t ms m b 推迟了 七。电流的激活和失活过程。增大了如。l 电流的反转电位。改变了l 型钙 通道选择离子的敏感程度。s m b 改变了d r g 神经元膜上三种离子通道 的电生理学特性，可能会由此引起一些d r g 神经元的损伤或凋亡，增加 机体的疼痛感，进而可能引发些神经系统方面的疾病。 关键词：焦亚硫酸钠；膜片钳；背根节神经元；钾电流；钠电流；钙电 流；大鼠 中图分类号：q 4 2 4 ，r 9 9 2 l j j 西大学2 0 0 6 届顶：匕学位论文摘要 e f 佗c t so fs o d i u mm e t a b i s u l f i t eo nj o nc h a n n e l s i nr a td o r s a lr o o tg a n g l i o nn e u r o n s c a l l i n g ( e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e ) d i r e c t e db ym e n g z i q i a n g a b s t r a c t s o d i u mm e t a b i s u l f i t e ( s m b ) i sm o s tc o m m o n l yu s e da sa p r e s e r v a t i v ei n f o o dp r o d u c t s ，l i k ea s b i s c u i t ，c h o c o l a t e ，j a m ，s a u s a g e ，s a l a m i ，i nm a n y a l c o h o l i cl i q u o rl i k ea sb e e r , w i n e ，c h a m p a g n ee t c ，a n di n d r u g ss u c ha s p a r e n t e r a la m i n oa c i ds o l u t i o n s s m bh a sc y t o t o x i ca n dg e n o t o x i ce f f e c t s s m bc a ni n d u c eb r o n c h o c o n s t r i c t i o ni na s t h m a t i cp a t i e n t s r e c e n ts t u d i e s h a v er e p o r t e dt h a ts m bc a ni n d u c et h ec a sa n dt h es c e si nh u m a n l y m p h o c y t e s s m ba l s om i g h th a v en e u r o t o x i c i t y d o r s a l r o o tg a n g l i o n ( d r g ) n e u r o n s a r e p r i m a r ys e n s o r y n e u r o n sa n dt r a n s m i t s e n s o r y i n f o r m a t i o nf r o mp e r i p h e r a l n e u r o np l a y sai m p o r t a n tr o l e r e g m n s i nr e g u l t ot h ec e n t r a ln e r v o u ss y s t e m d r g a t i n gs y s t e m i ca c t i v i t y s ow es t u d i e d t h ee f f e c t so fs m bo ni o nc h a n n e l su s i n gt h ew h o l ec e l lc o n f i g u r a t i o no f p a t c h c l a m pt e c h n i q u e i n a c u t e l yi s o l a t e dd r gn e u r o n s t h er e s u l t s a r e f o l l o w s ： s m bi n c r e a s e dt h ea m p l i t u d e so ft r a n s i e n to u t w a r dp o t a s s i u mc u r r e n t s ( t o c s ) a n dd e l a y e dr e c t i f i e rp o t a s s i m nc u r r e n t ( k ) i nac o n c e n t r a t i o n - a n d v o l t a g e d e p e n d e n tm a l m e r t e nb t ms m bd i dn o ta f f e c tt h ea c t i v a t i o np r o c e s s o fy o c sa n ds h i f t e dt h e s t e a d y s t a t e a c t i v a t i o nc u r v eo f 爪i nt h e h y p e r p o l a r i z i n gd i r e c t i o n s m bi n h i b i t e dt h e i ri n a c t i v a t i o np r o c e s so f t o c s s m ba l s oi n c r e a s e dt h ea m p l i t u d e so ft t x sa n dt t x rs o d i u mc t l r r e n t si n 山西大学2 0 0 6j 亓| ；硕士学位论文 摘要 ac o n c e n t r a t i o n - a n dv o l t a g e d e p e n d e n tm a n n e r t e nu ms m bh a v el i t t l e e f f e c to nt h ea c t i v a t i o np r o c e s so ft t x ss o d i u mc h a n n e l ，h o w e v e rs h i f ti n t h es t e a d y - s t a t ei n a c t i v a t i o no ft t x - ss o d i u mc h a n n e lt ot h ed e p o l a r i z i n g d i r e c t i o n f i v ei x ms m bs i g n i f i c a n t l ya f f e c t e dg a t i n gk i n e t i c so ft t x r s o d i u mc h a n n e l st om o r e p o s i t i v ep o t e n t i a l t h e e f f e c t so fs m bo n h i g h v o l t a g e a c t i v a t e dl t y p ec a l c i u m ( c a l ) c u r r e n tw e r ea l s os t u d i e di n a c u t e l yi s o l a t e dr a td r g n e u r o n s i nt h es a m ew a y , s m ba l s oi n c r e a s e dt h e a m p l i t u d e so f c a lc u r r e n t si nac o n c e n t r a t i o n a n dv o l t a g e d e p e n d e n tm a n n e r t h eh a l fi n c r e a s e dc o n c e n t r a t i o nw a sa b o u t1g m s m bs i g n i f i c a n t l ys h i f t e d t h ep r o c e s so fa c t i v a t i o na n di n a c t i v a t i o nc u r v ei nt h ed e p o l a r i z i n gd i r e c t i o n t h er e s u l t ss u g g e s ts m bw o u l dc h a n g et h ei o ns e l e c t i v i t yo fi o nc h a n n e l si n r a td r gn e u r o n s i n c o n c l u s i o n ， s m bc a u s e s a v a r i e t y o f e l e c t r o p h y s i 0 1 0 9 i c a l a b n o r m a l i t i e si nr a td r gn e u r o n s i ti s s u g g e s t e dt h a ts 0 2d e r i v a t i v e s m b c h a n g ed r gn e u r o n a le x c i t a b i l i t yb u ta l s om e d i a t ec e r t a i nf o r m so fd r g n e u r o n a ln o c i c e p t i v ei n f o r m a t i o na n da p o p t o s i s k e yw o r d s ：s m b ；w h o l e - - c e l lp a t c h c l a m pt e c h n i q u ( d r g ) n e u r o n s ；p o t a s s i u mc u r r e n t s ；s o d i u mc u r r e n t s e s ： c a i d o r s a lr o o tg a n g l i o n c l u mc u r r e n t s ；r a t 山西大学2 0 0 6 同硕= l 学位论文 第一章 文_ 献综述 第一章文献综述 1 ，1 焦亚硫酸钠概述 1 1 1 焦亚硫酸钠的吸收、转运和代谢 s 0 2 是一种广泛存在的环境污染物。一切含硫燃料( 包括煤、石油、柴油、汽油) 的燃烧都会产生s 0 2 引起s 0 2 污染。其衍生物在食品饮料工业中常被用作防腐剂、 保色剂等，这些在客观上都可能造成或加重大气二氧化硫污染，也可能使二氧化硫 的健康危害进一步加剧。人们对于s 0 2 代谢衍生物对人类健康危害的认识经历了比 较漫长的过程。以美国为例从1 6 6 4 年到1 8 8 0 年的漫长岁月里s 0 2 代谢衍生物亚 硫酸盐和亚硫酸氢盐被广泛应用于食品加工工业，作为防腐剂、漂白剂等，不加限 制的通过食物源源不断的进入人体，因为人们认为它们是安全的。但后来人们注意 到亚硫酸盐接触与人群中发生的哮喘、气道高反应性、气流阻塞以及特殊的皮肤病 有着密切的关系，促使人们对其毒性进行深入的研究。到今天为止，亚硫酸盐仍是 一种常用的抗氧化剂用于制酒、制药、饮料生产等行业，但在含量上有了严格的限 制。如我国规定氨基酸输液中亚硫酸盐含量不超过o 0 4 0 0 8 ，发达国家控制更 为严格，一般在0 0 2 以下。 s 0 2 衍生物一焦亚硫酸钠( s o d i u mm e t a b i s u l f i t e ，s m b ) 作为一种抗氧化剂常被添 加于食品，如：饼干、巧克力、果酱、香肠中，也常被添加于像啤酒、葡萄酒、香 槟酒等酒精饮料和一些药品中，以延长其保质期 16 | 。s m b 同时具有氧化和抗氧化两 种特性。s m b 可在水中分解为亚硫酸氢钠和二氧化硫，进一步生成各种硫中心和 氧中心自由基，由于s m b 经消化后释放出s 0 2 ，因此被消化吸收的硫酸盐的剂量作为 s 0 2 吸收和消化的当量。亚硫酸茄的抗氧化性是由于s 0 3 。的存在，使得亚硫酸盐接受 一个或者两个电子，并分别被氧化7 够成s 0 3 一和s 0 4 。s 0 3 。可进一步和分子氧反应 生成s 0 3 0 0 和s 0 4 一 2 1 。这些硫中心自由基可以和脂类物质反应导致脂质过氧化”1 。 在正常的人体中，在血清中存在的亚硫酸盐的量低于报告中的4 5 n m o l l l 引。这是由 于一种存在于线粒体中的氧化酶【5 ，它可以催化s 0 3 2 - 使它氧化生成s o 。2 。，s o 。2 一可以 被排泄到尿中j “。外源性的亚硫酸盐在肝脏中只有部分被氧化”，也就是说体内吸收 的亚硫酸栽只有一部分经过肝脏的代谢经过各器官进入全身循环口1 。亚硫酸盐也可以 发生非酶性的反应引起体内谷胱甘肽( g s h ) 水平的升高【。 1 12 s o ：及其衍生物毒性效应及研究进展 a l l e n ae ta 1 报道了让健康人口服焦亚硫酸钠( 食品防腐剂成分) 2 0m g k g 人体重， 山西大学2 0 0 6 届颂二e 学位论文焦弧虢酸钠对犬鼠背根节神经元膜离予通道的影响 半个小时后测到男性人体血清中的亚硫酸根离子的浓度高达1 1 2u m 。有报告中指 出s m b 在达：1 5 2 0 m g k g d a y 剂量，相当于3 5 0 m gs 0 2 时，s m b n 以导致大鼠肾脏和肝 脏中脂质过氧化水平升高】。当人体食用含有高水平的亚硫酸赫的某些食品或药品 时，会使得体内的亚硫酸盐水平升高，尤其是一些注射用的氨基酸营养液就含有大 量的亚硫酸盐，据报道每天可以通过注射营养液中酸性亚硫酸盐最多不超过 9 5 0 r a g 【”j 。亚硫酸盐的毒性电很可能是由于含有0 0 0 5 0 0 1 2 浓度s m b 的一些物质造 成的，一类含有2 5 m g m l s m b 的麻醉药品p r o p o f o l ，当仅以5 0 p g ，k g m i n 的速度灌注 时，在2 4 d 时之内就可以达到亚硫酸盐的毒性水平。对于s m b 在k i 腔中急性毒性 n l d 5 0 在雌性大鼠和雄性大鼠中分别是1 1 3 0 m g k g , 和1 9 0 3 m g k g 。近年来发现s m b 具有一定的细胞毒性和基因毒性。它可导致人血淋巴细胞染色体畸变( c h r o m o s o m a l a b e r r a t i o n s ，c a ) 和姊妹染色单体互换( s i s t e rc h r o m a t i de x c h a n g e ss c e ) ，引起哮喘病 人的支气管缩小i 6 , 17 1 。体外实验发现生理剂量范围内( 5 “mt o 4m m ) 情况则发生相反改变，即亚硫酸盐的促损伤作用消失，但其原因尚在探 讨之中。 s m b 溶于水后立即转化为s 0 2 、亚硫酸靛和亚硫酸氢盐，接近s 0 2 在体内变化的 实际情况。因此以s m b 作为s 0 2 及其衍生物的供体，对于研究s 0 2 对神经系统的毒 理学作用更具有实际意义。 j i 2 is 0 2 的遗传毒理效应 接触s 0 2 工人外周血淋巴细胞染色体畸变t c a ) 、微核( m _ n ) 及姊妹染色单体 互换( s c e ) 的发生率增高【1 9 , 2 02 1 ，用s 0 2 体内衍生物处理体外培养的人血淋巴细胞， 也可使c a 、m n 及s c e 增高【2 2 , 2 3 ，表明s 0 2 是人血淋巴细胞染色体断裂剂和基因毒 性因子。n a h s 0 3 和n a 2 s 0 3 还可以诱发中国仓鼠肺纤维细胞( c h l ) m n 和c a 增高 2 42 5 1 ，高浓度的s 0 2 体内的衍生物能诱发c h o a s 5 2 细胞g p t 基因发生突变，且突 变频率随n a h s 0 3 浓度增加而增高，故它对d n a 自接损伤或对基因，c 量突变的诱发= = f j 是它的主要作用口，从而提出：s 0 2 在般情况即口能是以辅助突变剂的作用发挥 其耀因毒性效应，且其列细胞的基凶毒性呵能是通过n a h s 0 3 在自氧化或酶促氧化 山西大学2 0 0 6 屁硕七学位论文第一章立献综述 过程中产生的自由基对染色体d n a 的间接作用达到的。s 0 2 及其衍生物可引起小鼠 骨髓细胞c a 、m n 显著增高 2 7 , 2 8 , 2 9 】，沙棘油对其引发的m n 有一定的防护作用口o l 。 这些研究导致个结论：s 0 2 是哺乳类细胞染色体断裂剂和基因毒性因子。 近年来本室研究指出，s 0 2 及其衍生物是一种全身性毒物，s 0 2 不仅对呼吸系 统有损害作用，而且还可以亚硫酸根和亚硫酸氢根离子的形式通过呼吸道进入血液 在全身分布，引起多种脏器损伤，如引起小鼠脑、肺、心、肝、脾、肾、胃、肠及 睾丸等的脂质过氧化作用( l p o ) 的水平增高及其抗氧化物质( g s h ) 含量的减少，使这 些器官的抗氧化酶( 如超氧化物歧化酶( s o d ) 、谷胱甘肽过氧化物酶( g s h p x 】、过 氧化氢酶、谷胱甘肽硫转移酶、葡萄糖一6 磷酸脱氢酶、谷胱甘肽还原酶等) 的活性 改变。由此得出结论：( 1 ) 通过产生各种自由基引起器官组织氧化损伤作用可能是 s 0 2 毒作用的一种主要机制；( 2 ) s 0 2 是一种全身性毒物，除了引起呼吸道损伤和疾 患外，它也能引起其它脏器或系统损伤和疾病剐。沙棘油可以不同程度的减少s 0 2 所 致的脂质过氧化物水平的升高，提高了抗氧化酶的活性，对s 0 2 所造成的氧化损伤 有一定的防护作用【3 ”。同时，应用单细胞凝胶电泳技术( s c g e ) 研究了s 0 2 及其衍生 物对小鼠不同脏器( 脑、肺、肝、脾、肾、肠和睾丸) 及血液淋巴细胞遗传物质- - d n a 的损伤作用，结果表明，s 0 2 及其衍生物引起所有受试器官和血液淋巴细胞d n a 损 伤。表明s 0 2 是一种全身性d n a 损伤因子- 3 3 , 3 4 1 。最近我们又采用高效液相色谱方 法对小鼠吸入s 0 2 后脑、肺、心、肝、脾、肾及睾丸中亚硫酸盐含量进行了测定， 发现在这些组织中其亚硫酸盐含量均有升高，进步为s 0 2 是一种全身性毒物的观 点提供了实验依据【j “。 s 0 2 及其衍生物处理后，大鼠肺泡灌洗液( b a l f ) 中肺泡巨噬细胞( a m ) 、中 性粒细胞和淋巴细胞数量增加，但a m 细胞比例减少，b a l f 中蛋白质含量、酸性 磷酸酶、碱性磷酸酶和乳酸脱氢酶活性升高，脂质过氧化水平升高，a m 细胞培养上 清液的蛋白质和l d h 含量均升高。s 0 2 及其衍生物还可使大鼠a m 细胞膜和血红细 胞腹n a + k _ a t p a s e 、m 9 2 + _ a t p a s e 、c a ”a t p a s e 、l d h 、a c p a s e 、血红细胞膜结合 酶活性下降，并使线粒体膜s o d 酶、a t p a s e 活性降低，a m 细胞内钙离子浓度增加， a m 、f f f l 红细胞以及线粒体膜脂疏水区及膜表层流动性降低。这些研究结果提示：s o ： 可引起细胞膜表面结构、b a l f 生化指标、膜临活性、膜流动性及细胞内游离钙离子、 线粒体和溶酶体等结构和功能的损伤作用，并使细胞膜和亚细胞膜通透性升高、膜 结合酶活性降低、膜脂流动性降低和细胞内第二信使钙离子浓度升高 3 6 , 3 7 3 8 。 山西大学2 0 0 6 届硕：匕学位论文 焦硫酸钠对大鼠背根节神经元膜离子通道的影l 恂 1 1 2 2 s 0 2 对神经元离子通道的影响 近年来，本实验室的研究发现s 0 2 及其衍生物一亚硫酸盐和亚硫酸氢盐( 二者摩 尔比为3 ：1 ) 能够影响大鼠海马神经元、背根节( d o r s a lr o o tg a n g l i o n ，d r g ) 神经元及 心肌细胞膜上电压门控性离子通道的活动。在海马丰叶i 经元上，s o ：及其衍生物浓度依 赖性地增大大鼠海马神经元c a l 区神经元的钠电流，c a l 和c a 3 区的钟电流，延 迟钠通道的关闭，促进延迟整流钾通道的激活，而延迟瞬间外向钾通道的失活 3 9 , 4 0 , 4 1 , 4 2 , 4 3 1 。m g s 0 4 可抑制s 0 2 衍生物引起的钠、钾通道的增强作用1 。此外，s 0 2 及其衍生物还可增大海马神经元胞内游离钙离予的浓度，导致胞内钙超载，因而可 能增大海马神经元的兴奋性i 4 5 1 。 在大鼠心肌细胞上，s 0 2 衍生物浓度依赖性地增大l 一型钙电流，钠电流、钾电流， 影响通道的激活、失活及失活恢复过程，导致通道关闭延迟，胞内n a + 、c a 2 + 超载， 胞# b k + 浓度升高，从而可能引起与通道有关的心肌损伤 4 5 , 4 6 , 4 7 梆1 。因此，s 0 2 及其衍生 物对海马神经元、d r g 神经元及心肌细胞膜上离子通道的作用可能是其导致神经毒 性和心血管损伤的机制之一，从而提示s 0 2 污染可能与一些神经系统和心血管系统疾 病的发生有关。 近年来，本实验室不仅研究了s 0 2 及其衍生物一亚硫酸盐和亚硫酸氢盐( 3 ：1 m m ) 对大鼠海马c a l 区、c a 3 区神经元及d r g 神经元膜上离子通道活动的影响， 而且研究了环境中其他污染物如铅、其他环境有害物质如铝、i t 2 0 2 、及临床治疗脑 损伤的药物m g s 0 4 对大鼠海马元离子通道的影响。环境污染物铅浓度依赖性地抑制 大鼠海马c a l 区神经元钠、钾通道电流，抑制钠通道的激活过程，促进其失活过程， 而对钾通道的影响则均表现为对激活和失活过程的抑制作用 4 9 , 5 0 1 。因而，铅可能通过 影响神经元上离子通道的活动而损伤神经系统的许多功能，如学习和电忆等。 铝在生活和自然环境巾的含量日益增高而引起的健康问题越来越引起人们的关 注。有报道表明，铝能促进淀粉样蛋白的形成和积累，从而在老年痴呆症( a d ) 的致 病过程中发挥作用5 1 , 5 2 , 5 3 ，也有文献对铝引起的海马组彭l 病变进行了报道，表明铝可 以使细胞死亡率明显增加，降低m 9 2 + - a t p a s e 等酶活性5 4 , 5 5 。另外，a 1 c i ，还可致胚 胎发育毒性【5 。本实验室研究了铝对海马神经元离子通道的影响，以探讨铝的神经 毒作用机理。结果表明，a i c l 3 浓度依赖性地抑制钠、钾电流，抑制钠、钾通道的激 活过程，而加速其失活过程【5 “。因此，铝可能通过阻断海马神经元钠、钾通道而导 致某些神经系统的损伤效应。 山西大学2 0 0 6 届硕= l 学位论文第一章 文献综述 h 2 0 2 是活性氧( r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s ，r o s ) 的一种，是细胞有氧代谢的产物， 在炎症、衰老、被辐射、内毒素休克以及在心、肠、肝、肾和脑发生的缺血再灌中， r o s 的产量增加，导致不同的细胞功能紊乱 = i 8 1 。本实验室的研究发现，h 2 0 2 可浓度 增大大鼠海马c a l 区神经元的钠电流，抑制钠通道的失活过程，因而造成钠通道关 闭延迟，导致中枢神经细胞过度兴奋，钠离子内流增加，引起胞内钠离子浓度增高， 可能导致膜n a + ，k + 一a t p 酶活性和功能的改变，造成中枢神经系统损伤口9 1 。这意味着 h 2 0 ：对中枢神经系统具有类似神经毒物的作用，它与细胞功能紊乱及细胞凋亡均有 密切的关系。 m g s 0 4 在临床上常被用来治疗缺血缺氧引发的脑损伤，效果显著。临床观察显 示，服用m g s o 。可以减轻缺血缺氧造成的损伤作用，抑制脑水肿的形成，减缓由此 引发的神经系统功能紊乱。在此基础上的试验研究表明，上述作用机制主要涉及降 低兴奋性氨基酸含量，调节酶活力和神经元胞内钙离子水平，及提高机体抗氧化损 伤的能力【6 0 1 。本实验室从离子通道的角度研究了m g s o 。对海马神经元的影响。结果 表明，m g s 0 4 浓度依赖性地抑制钠、钟电流，抑制钠通道和延迟整流钾通道的激活 过程，加速瞬间外向钾通道的失活过程。因而，m g s 0 4 可能通过抑制钠、钾通道而 减小神经系统在缺血和缺氧条件下受到的损伤。 1 1 2 - 3 二氧化硫对基因表达谱及细胞色素p 4 5 0 的影响 本室采用a f f y m e t f i x 的基n g 片( r a e 2 3 0 a ) 技术，研究了s 0 2 短期及长期吸入后 大鼠肺组织基因表达谱的改变。结果发现短期吸入s 0 2 的大鼠肺组织中与氧化磷酸 化相关的一些基因发生了变化，表明高剂量短期吸入s 0 2 可能导致线粒体功能的恶 化；长期吸入s 0 2 的大鼠肺表达有差异的基因涉及到脂肪酸代耐、免疫、炎症、氧 化应激、原癌基因、肿瘤抑制基因和细胞外基质等，表明低剂量长期吸入s 0 2 在体 内的机理更为复杂；s 0 2 高剂量短期吸入与低剂量长期吸入后，大鼠肺组织基因表达 谱的改变很不一致，提示二者在体内的作用机理不同 6 1 , 6 2 。 最近本室研究了s 0 2 对肝、肺微粒体细胞色素p 4 5 0 及其主要亚型的影响。结果发 现s 0 2 可引起大鼠肝微粒体p 4 5 0 含量逐渐降低，肝微粒体c y p l a i 和2 8 1 活性及 m r n a 表达水平、肺微粒体c y p l a i 、1 a 2 矛3 2 e i 活性及m r n a 表达水平也逐渐降低， 说明s 0 2 可降低大鼠肝微粒体p 4 5 0 含量及肝、肺微粒体p 4 5 0 四种主要同： 酶的活性及 m r n a 转录，提示吸入s 0 2 后肝、肺对外源化合物及药物的代谢可能会受到影响。 1 j 24s 0 2 对细胞凋亡、超微结构及细胞因予的影响 山西大学2 0 0 6 届硕= l 学位论文焦e 硫酸钠对大鼠背根节神经元膜离予通道的影响 近年来，本室的研究表明，s 0 2 可引起小鼠肺脏明显的超微结构改变，引起i 型、 i i 型肺泡上皮细胞板层体空泡化，线粒体致密化或肿胀变性，细胞核变形，基膜增 厚，使氧气弥散功能出现障碍，从而降低肺功能。s 0 2 还可以使肺支气管表面纤毛倒 伏、凌乱、部分脱落，失去正常的生理形态。s o z 还可引起小鼠脾脏细胞出现明显的 凋亡改变，红髓区和白髓区淋巴细胞出现核固缩，染色质凝聚、边集，出现典型的 d n a 梯形条带，s 0 2 染毒可引起小鼠胸腺组织中有部分淋巴细胞变形且异染色质增 多，胸腺上皮细胞中可见次级溶酶体增多，线粒体变形f 6 3 1 。s 0 2 染毒可引起小鼠肝 脏点状坏死甚至片状坏死，伴随不同程度的炎性细胞浸润，肝细胞脂肪变性产生脂 滴、嗜酸性颗粒变细胞中可见线粒体明显增生、肿胀，核周隙不规则增宽，粗面内质 网轻度扩张，细胞核结构破坏，细胞膜不完整，核膜不清或完全消失，细胞器明显 减少等坏死性病理改变【6 。s 0 2 吸入组小鼠睾丸的基膜、各级生精细胞、精子和支 持细胞均发生病理改变。s 0 2 可引起小鼠脑组织部分神经元细胞和许多胶质细胞受 损，神经纤维发生髓鞘分离，还可引起心肌细胞线粒体肿胀，细胞核染色质有边集、 团块状改变，甚至还可见到心肌纤维断裂、溶解，部分心肌细胞肌膜破裂，细胞器 释出，并可见淋巴细胞浸润。s 0 2 吸入组小鼠肾近曲小管上皮细胞受损严重，l 肾小球 和远曲小管上皮细胞也有一定程度的损伤 6 5 i 。s 0 2 还可引起小鼠血红细胞中各种异 型细胞如嵴形、球形、口形等细胞的比例增加，使肺泡巨噬细胞膜表面皱褶变浅或 消失，细胞肿胀或破碎，且膜表面的纤毛消失l “1 。 s 0 2 代谢衍生物对小鼠脾细胞具有明显的细胞毒性作用，染毒4 小时和2 4 小时 细胞的半数存活抑制浓度l c 5 0 分别为1 1 2 9 3 2m m o l l 和1 3 7 7 7 7 m m o l l 。而且一定 浓度范围内呵引起小鼠脾淋巴细胞d n a 发生特征性降解，出现d n a l a d d e r s ，引起 染毒组细胞凋亡率显著性升高，但细胞凋亡率与剂量不呈直线相关关系。s 0 2 代谢衍 生物对人胚肺成纤维细胞具有明显的细胞毒性作用，4 小时和2 4 小时细胞半数存活 抑制浓度l c 5 0 分别为】1 1 3 3 和2 0 0 7 0 1 m u o l l 。此p b - - 氧化硫代谢衍生物可引起人胚 肺成纤维细胞形态发生明显改变和细胞内外乳酸脱氢酶活性明显降低f 6 ”。 本室利用e l i s a 法测定了不同s 0 2 吸入后小鼠肺组织及血清中细胞因子水平。 结果表明肺组织中i l 6 、t n f 的含量均显著升高；对1 二m 清，只有t n f d 在s o ， 吸入浓度为1 4 m g m 3 时显著升高。表明s 0 2 的致炎作用主要发生在肺组织。所以测 定帅组织细胞因子对于了青翠s 0 2 引起的肺损伤作用可能比血清更有价值 6 。 山西大学2 0 0 6 扁硕士学位论文第一章文献综述 近年来，本室的研究还表明，s 0 2 吸入可使大鼠肝、肺细胞细胞凋亡相关基i 天1 p 5 3 、 b a x 、c a s p a s e 3 、c a s p a s e 8m r n a 和蛋白表达上调，而凋亡抑制基因b c l 2 的m r n a 和 蛋白表达下调，c a s p a s e 3 酶活生高，t u n e l 的实验结果也表日) l s 0 2 可诱导大鼠肝、肺 细胞发生凋亡，导致细胞周期的紊乱 6 9 , 7 0 。 1 1 2 5s 0 2 及衍生物对心血管的作用 本室最近研究表明s 0 2 吸入暴露或将其衍生物腹腔注射对大鼠有明显的降压作用 7 1 1 ，二氧化硫衍生物对大鼠的短期降压机制与p g l 2 、t x a 2 代谢改变程度呈直接相 关关系，而在长期染毒后则p g l 2 t x a 2 改变从而诱发心血管系统疾病【7 2 ，对二氧化 硫诱发的心血管系统疾病提供毒理与病理学上的依据。s o ：衍生物对血管有直接舒张 作用，此舒张作用不经一氧化氮( n o ) 介导7 3 1 。近期研究表明s 0 2 衍生物舒张血管 的作用不是依赖血管内皮的，而主要通过平滑肌作用f 7 4 1 。同时研究发现s 0 2 衍生物 作用于血管组织产生前列环素( p g l 2 ) ，后者通过激活腺苷酸环化酶( a c ) 使胞内环 腺苷酸( c a m p ) 增高。p g l 2 a c c a m p 信号转导通路，是s 0 2 衍生物使血管舒张的 作用机制之一，并且此通路是直接作用于血管平滑肌，发生作用，而与n o c g m p 信号通路无关1 7 5 j 。 1 1 2 6s 0 2 对植物的毒性作用 除了对动物的毒作用外，s 0 2 也能够引起植物的毒性效应。近年来本室的研究表 明，s 0 2 及其衍生物影响许多植物如大麦、玉米、蚕豆、大蒜等种子的萌发、幼苗的 生长、细胞周期及遗传物质的稳定性。s 0 2 及其衍生物抑制上述植物种子的萌发和幼 苗的生长，延滞其根尖分生区细胞的细胞周期，延缓细胞分裂以及降低分裂指数 7 6 , 7 7 , 7 8 。此外，s 0 2 及其衍生物还可引起上述植物细胞的遗传损伤效应，破坏植物体 细胞的遗传稳定性，导致根尖细胞中具有染色体畸变( 如染色体断裂、滞后、粘连、 桥) 、姊妹染色单体交换、微核、双核、固缩的细胞数目显著增加【7 9 , 8 0 , 8 1 。 12 生物膜离子通道与膜片钳技术 细胞是通过细胞膜与外界隔离的，在细胞膜上有很多通道，细胞就是通过这些通 道与外界进行物质交换的。这些通道由单个分子或多个分子组成，允许一些离子通 过。通道的调节影响到细胞的生命和功能。离子通道的发现，是现代分子生物学史 上的一次革命，在临床上，也使人们对于一些疾病如糖尿病，囊性纤维变性等的细 胞学机制，有了进一步的认识。 离子通道( i o nc h a n n e l ) 是细胞膜上的一类特殊亲水性蛋白质微j l 道，是神经、肌 山西大学2 0 0 6 届硕士学位论文焦死硫陂钠对大鼠背根节神经元膜离子通道的影响 肉细胞电活动的物质基础。随着分子生物学、膜片钳技术的发展，人们对离子通道 的分子结构及特性有了更加深入的认识，并发现离子通道的功能、结构异常与许多 疾病的发生和发展有共8 ”。 细胞离子通道的结构和功能正常是维持生命过程的基础，其基因变异和功能障碍 与许多疾病的发生和发展有关。疾病中的离子通道改变是指由于某一疾病或药物引 起某一种或几种离子通道的数目、功能甚至结构变化，导致机体发生或纠正某些病 理改变。近年来，对于离子通道与疾病关系的研究取得了重大进展，不仅阐明了离 子通道的分子结构突变可导致某种疾病，而且还明确了某些疾病可影响某种离子通 道功能甚至结构。 1 2 1 离子通道的主要类型 离子通道的开放和关闭，称为门控( g a t i n g ) 。根据门控机制的不同，将离子通道 分为三大类： ( 1 ) 电压门控。 + f ( v o l t a g eg a t e d ) ，又称电压依赖眭( v o l t a g ed e p e n d e n t ) 或电压敏感性 ( v o l t a g es e n s i t i v e ) 离子通道：困膜电位变化而开启和关闭，以最容易通过的离子命名 如k + 、n 矿、c a 2 + 、c 1 一通道4 种主要类型，各型又分若干亚型。 峨嘣嘲谴0 f 2 ) 配体门控性( 1 i g a n dg a t e d ) ，叉称化学门控。i 生( c h e m i c a lg a t e d ) 离子通道：由递质 与通道蛋白质受体分子上的结合位点结合而丌启，以递质受体命名，如乙酰胆碱受 体通道、谷氨酸受体通道、门冬氨酸受体通道等非选择性阳离子通道( n o n - s e l e c t i v e c a t i o nc h a n n e l s ) 系由配体作用于相应受体而开放，同时允许n a + 、c a 2 + 或k + 通过 属于该类。 m # t ：* 9 山西火学2 0 0 6 届硕：匕学位论文第一章文献综述 ( 3 ) 机械门控。陛( m e c h a n o g a t e d ) ，又称机械敏感性( m e c h m a o s e n s i t i v e ) 离子通道：是 一类感受细胞膜表面应力变化，实现胞外机械信号向胞内转导的通道，根据通透性 分为离子选择性和非离子选择性通道，根据功能作用分为张力激活型和张力失活型 离子通道。此外，还有细胞器离子通道，如广泛分布于哺乳动物细胞线粒体外膜上 的电压依赖性阴离子通道( v o l t a g ed e p e n d e n ta n i o nc h a n n e l ，v d a c ) ，位于细胞器肌质 n ( s a r c o p l a s m i cr e t i c u l u m ，s a ) 或内质网( e n d o p l a s m i cr e t i c u l u m ，e r ) 膜上的r y a n o d i n e 受体通道、i p 3 受体通道。 斓硎f 翮 铡lj 啵蛾 帆敞办敞艟趱迸 1 2 2 离子通道的主要功能 离子通道的主要功能有：( 1 ) 提高细胞内钙浓度，从而触发肌肉收缩、细胞兴奋、 腺体分泌、c a 2 + 依赖性离子通道开放和关闭、蛋白激酶的激活和基因表达的调节等一 系列生理效应：( 2 ) 在神经、肌肉等兴奋性细胞，n a + 和c a 计通道主要调控去极化， k + 主要调控复极化和维持静息电位，从而决定细胞的兴奋性、不应性和传导性；( 3 ) 调节血管平滑肌舒缩活动，其中有k + 、c a 2 + 、c 1 一通道和某些非选择性阳离子通道参 与；f 4 ) 参与突触传递，其中有k + 、n a + 、c a 2 + 、c i 通道和某些非选择性阳离子通道 参与；( 5 ) 维持细胞正常体积，在高渗环境中，离子通道和转运系统激活使n a + 、c j _ 、 有机溶液和水分进入细胞内而调节细胞体积增大：在低渗环境中，n a + 、c 1 、有机溶 液和水分流出细胞而调节细胞体积减少。 1 2 3 离子通道病 离子通道病是指离子通道的结构或功能异常所引起的疾病，具体表现在编码离子 通道亚单位的基因发生突变或表达异常，或体内出现针对通道的病理性内源性物质 时，离子通道的功能发生不同程度的减弱或增强，导致机体整体生理功能紊乱，形 成某些先天性或后天获得性疾病，主要累及神经、肌肉、心脏、肾脏等系统和器官。 迄今为止，研究比较清楚的离子通道病主要涉及钟、钠、钙、氯通道领域，现简介 如下： 钾通道病 山西大学2 0 0 6 届颂二l 学位论文 焦豫巯赡销对火鼠背根节神经元膜离予碰道的j | | ；响 钾离子通道在所有可兴奋性和非兴奋性细胞的重要信号传导过程中具有重要作 用，其家族成员在调节神经递质释放、心率、胰岛素分泌、神经细胞分泌、上皮细 胞电传导、骨骼肌收缩、细胞容积等方面发挥重要作用。已经发现的钾通道病有常 染色体显性良性家族性新生儿惊厥、1 型发作性共济失调、阵发性舞蹈手足徐动症伴 发作性共济失调、癫痫、1 一，2 - ，5 ，6 - 型长q t 综合征、j e r v e l l 和l a n g e - n i e l s e n 综 合征【8 3 、a n d e r s e n 综合征等【8 4 。 钠通道病 钠离予通道在大多数兴奋细胞动作电位的起始阶段起重要作用，已经发现的钠通 道瘸有高钾型周期性麻痹、正常血钾型周期性麻痹、部分低钾型周期性麻痹、先天 性副肌强直、各型钾加重的肌强直、先天性肌无力、3 一型长q t 综合征、1 一型假性醛 固酮减少症、l i d d l e 综合征8 5 1 、全面性癫痫热性发作叠加症等【8 6 】。 钙通道病 钙离子通道广泛存在于机体的不同类型组织细胞中，参与神经、肌肉、分泌、生 殖等系统的生理过程。已经发现的钙通道病有家族性偏瘫型偏头痛、低钾型周期性 瘫痪、2 一型发作性共济失调、6 一型脊髓小脑共济失调、中央脊髓性肌病、恶性高热、 l a m b e r t e a t o n 肌无力综合征、癫痫等。 氯通道病 氯离子通道广泛分布于机体的兴奋性细胞和非兴奋性细胞膜及溶酶体、线粒体、 内质网等细胞器的质膜，在细胞兴奋性调节、跨上皮物质转运、细胞容积调节和细 胞器酸化等方面具有重要作用。已经发现的氯通道病有先天性肌强直( t h o m s e n 型1 、 隐性遗传全身性肌强直( b e c k e r 型) 、囊性纤维化病、遗传性肾结石病、3 一型b a r t t e r 综合征等。 需要说明的是，相当数量的离子通道病并不是新出现的疾病，丽是早己出现甚至 早被熟知的疾病，只是此前一直末发现其在离子通道水平存在病变，如癫痫、偏头 痛等；有些离子通道病为单一离子通道结构或功能异常而至，如1 一型发作性共济失 调是由于k c n a l 基冈突变引起，该基因位于染色体1 2 p l3 上，编码电压依赖性钾离 子通道；也有些离子通道病涉及多种离子通道结构或功能异常，如癫痫与l 型电压 依赖性钙通道( a ld 亚苹位基因表达减弱) 、电压依赖性钥嗵道( k c n q 2 和k c n q 3 基 因突变) 、乙酰胆碱受体通道( a 4 和b 2 亚单位基因突变) 等有关8 9 1 。 12 4 疾病中的离子通道改变 山西大学2 0 0 6 届硕：忙学位论文第一章文献综述 病变中的离子通道改变是指由于某一疾病或药物引起某一种或几种离子通道的 数目、功能甚至结构变化，导致机体发生或纠正某些病理生理改变。比如老年性痴 呆( a l z h e i m e r s d i s e a s e ，a d ) ，大量的研究发现a d 患者体内的一些内源性致病物质( 如 p 一淀粉样蛋白、3 - 淀粉样蛋白前体、早老素蛋白一1 ，2 ) 与钾通道、钙通道功能异常密 切相关，可能通过影响钾通道、钙通道的本身结构和或调节过程等，参与a d 患者 早期记忆损失、认知功能下降等症状的出现。又如脑缺血，脑缺血后能量代谢紊乱， 细胞内a t p 合成下降，突触间隙的谷氨酸剧增，谷氨酸作用于n 一甲基d 一天冬氨酸 ( n m d a ) 受体，引起受体依赖性c a 2 + 通道开放，c a 2 + 内流增加，导致神经细胞内c a 2 + 超载；谷氨酸还可经非n m d a 途径使n a + 通道开放，引起n a + 内流增加，随即引起 c l 和h 2 0 内流，导致神经细胞急性渗透性肿胀。再如支气管哮喘，致病因素作用于 肥大细胞后，引起细胞膜钙通道开放，c a 2 + 内流，促使4 ，5 - 二磷酸磷脂酰肌醇( p i p 2 ) 水解产生肌醇三磷酸( i p 3 ) ，后者促进肌浆网释放c a 2 + ，导致胞内c a 2 + 增多，进而激 活钙- 钙调蛋白依赖性酶( 磷酸化酶激酶、腺苷酸环化酶、磷酸二脂酶等) 参与肥大细 胞脱颗粒，释放组胺，导致炎症反应和哮喘发作；钙通道阻滞剂硝苯地平、维拉帕 米能阻断钙通道，减少胞内c a ”浓度，