梭曼及其代谢产物的分析方法及应用
李劲彤 阮金秀
摘 要 综述了梭曼及其代谢产物分析方法以及它们在梭曼的毒理学、毒代动力学及毒检中的应用。其中，手性毛细管柱气相色谱法或气质联用仪是实现梭曼四个异构体分离测定的较好手段；对梭曼酸性代谢产物的分析测定可以作为监测梭曼中毒的有力工具。
关键词：梭曼；代谢产物；毒代动力学
梭曼(soman)是难防难治的神经性毒剂，其主要毒性作用是不可逆地抑制乙酰胆碱酯酶(AChE)，使乙酰胆碱(ACh)积聚而产生胆碱能症状，严重中毒者可迅速发生惊厥、呼吸衰竭而导致死亡。梭曼有一个不对称的碳原子和一个不对称的磷原子，因此有四个光学异构体，即 C(+)P(+), C(+)P(-), C(-)P(+), C(-)P(-), 这些异构体的毒理学特性差别很大。其中，C(±)P(-) 对AChE抑制速率比C(±)P(+)快5个数量级，毒性大20～50倍，因此，C(±)P(-)是消旋梭曼中起主要毒性作用的一对异构体，C(-)P(-)较C(+)P(-)毒性更大。另外，梭曼的毒代动力学显示，相对无毒的C(±)P(+)与高毒的C(±)P(-)梭曼在体内的代谢过程有显著差异，C(±)P(+)主要通过酶水解而迅速消除，而C(±)P(-)异构体则主要通过与羧酸酯酶(CaE)及丁酰胆碱酯酶(BuChE)结合解毒[1]。对不同的中毒途径，四个光学异构体在体内的处置过程也有差别，如在豚鼠皮下注射或吸入梭曼较等毒剂量静脉注射后血中C(±)P(-) 高毒性异构体浓度高出近一倍[2，3]。梭曼进入体内后迅速消除，血中仅存少量母体化合物，而尿中的酸性代谢物浓度高，半衰期长，可以作为监测梭曼中毒的化学标记物[4]。所以，建立灵敏、特异的梭曼四个光学异构体及其代谢产物的分析方法对研究梭曼中毒后体内代谢过程、解毒药物的药理学评价及中毒诊断都具重要意义。本文对梭曼及其代谢产物的主要分析方法及应用情况作一综述。
, 百拇医药
1 放射性同位素标记方法
早期的研究主要是用14C或3H标记梭曼，检测其放射性活性来研究梭曼体内的分布与排泄。但它不能区分梭曼的非水解产物与大量的水解产物，并且用此方法不能分别研究梭曼四个异构体的代谢过程，特异性较差，因此其应用受到一定的限制[5]。
2 生物学检测方法
早在80年代初，Hunter等[6]就用梭曼的单克隆抗体结合技术竞争性抑制酶免疫测定方法来检测梭曼，但因其抗体亲和力不高，特异性较差，此技术并未得到充分的应用与发展。
2.1 外源性酶抑制法测定血中游离梭曼
目前多采用高氯酸沉淀血浆中蛋白(酶)，再外加外源性AChE，通过残留酶活性与梭曼浓度之间的线性关系来确定梭曼在血中的残余量。此方法操作简单，重复性好，灵敏度高，测定范围在18～1 820 pg/ml血，测定精密度在±10%以内。此方法可作为研究梭曼毒代动力学血中残余量的监测手段，也适用于其他多种有机磷毒剂体内外快速检测。但此方法主要检测的是血中高毒性的梭曼C(±)P(-)异构体，不能精确研究C(±)P(±)四个异构体体内的代谢解毒过程[7]。
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2.2 基于胆碱酯酶抑制的液相色谱检测法
Sipponen[8]等用甲醇-水作流动相，在有线性梯度系统的反相色谱将梭曼分离，再用梭曼与胆碱酯酶柱后反应，以残余酶活性与梭曼浓度的线性关系定量梭曼。此方法检测限可达10 pg，重复性在±1%，但也不能区分梭曼四个光学异构体而使用受限。
3 气相色谱(GC)、气质联用(GC-MS)仪检测梭曼四个异构体
真正能实现梭曼四个异构体分离测定的是手性毛细管柱的气相色谱法或气质联用仪。Benschop等[9]在1985年就以2H标记梭曼异构体作为内标，用手性毛细管柱分离，氮磷检测器检测实现了梭曼四个异构体的分离测定。检测灵敏度可达250 pg。在处理血样时，采用酸化血液(pH 4.2)，加入铝离子中和氟离子，以及加入特戊基-甲基氟膦酸酯以占据梭曼的结合位点等方法，保持了梭曼四个异构体的稳定性。近年来，热解吸/冷捕获的大体积进样(200 μl)毛细管气相色谱法的发展可使梭曼的检测达到100 ng/L水平，为研究梭曼毒代动力学提供了有力手段[10]。并适用于沙林、塔崩、 VX等神经性毒剂的微量测定。
, 百拇医药
呼吸道染毒是梭曼重要的中毒途径，用手性毛细管柱的气相色谱术可以研究动物呼吸道中毒后梭曼四个异构体的毒代动力学。Benschop等与Langenberg等[11，12]分别用豚鼠研究发现，动物吸入梭曼数分钟，C(±)P(-)异构体在染毒期迅速升高，其浓度-时间关系的数学模型可用非线性回归获得，动力学模型呈不连续过程，即染毒期单幂关系，染毒后期双幂关系。其中，C(+)P(-)较C(-)P(-)异构体吸收相落后，可能是C(+)P(-)较多地与CaE结合的原因。而吸入中毒较等毒剂量静脉给药，梭曼末端半衰期长，可能由于在上呼吸道存在一个梭曼的储存库，染毒终止后又缓慢释放的原因。结合梭曼的测定、血与组织中AChE的测定、梭曼水解率的测定、血与各组织匀浆梭曼结合能力的测定及心输出量与组织血流量的测定等，可以建立起梭曼中毒的毒代动力学生理模型[12，13]。
用GC-MS可以灵敏而准确地检测梭曼的四个异构体，在处理血标本时，可以用高氯酸沉淀蛋白，梭曼提取率可达81%[14]。可用此方法研究药物对梭曼异构体体内解毒的影响。Karlsson[15]等研究了钙拮抗剂尼莫地平对抗梭曼兔中毒作用，发现尼莫地平可能通过肺解毒机制，降低了毒性梭曼C(±)P(-)的初始浓度。
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4 梭曼主要代谢产物的检测方法
梭曼主要代谢产物是通过酶催化水解和(或)自发水解产生的甲基磷酸频哪基酯(PAMA)。另外，梭曼还可与CaE或BuChE能可逆或不可逆性结合，生成的PAMA由尿排泄。而梭曼对酶不可逆的膦酰化作用则使梭曼代谢产物的毒代动力学过程与沙林、塔崩等其他神经性毒剂不同，表现出更复杂、缓慢、不完全消除的特点。Shih等[4，16]用GC-MS分析了梭曼大鼠皮下染毒后尿中PAMA的排泄速率，发现其呈双相，t1/2分别为3.6 h与18.5 h，早期排出的是P(+)的水解产物， 而后期排出的以P(-)的水解产物为主， 总回收率仅为62%，肺是主要的蓄积器官。与酶不可逆结合的梭曼可通过加入表面活性剂(Triton-X 100)与10 mol/L NaOH，在高温高压下水解后再提取，并用GC-MS测定PAMA来检测。Katagi等[17]应用阴离子交换柱的间接光度检测器的离子色谱术(IPD-IC)检测人血清中的PAMA，线性测定范围为100 ng/ml～1 μg/ml血清，回收率可达72.9%。另外，Nassar等[18]用毛细管电泳法测定PAMA，定量测定限在500 ng/ml以内，回收率可达86%以上，具有样本制备简单、分析迅速等优点。
, http://www.100md.com
目前，检测PAMA最灵敏的方法是通过对PAMA进行对溴甲基甲酰苯衍生化，用在线固相提取(SPE)液相色谱连接快原子轰击质谱(LC-MS)和串级质谱测定(LC-MS-MS)，检测范围在0.5～3 ng/ml, 精密度在6%以下，PAMA 在血清与河水中的回收率分别是88%和94.1%，有效地提高侦毒检毒水平[19]。
梭曼及其代谢物的分析方法的进展，为深入研究梭曼毒性作用及梭曼的侦检提供了有力的工具，在实际应用时，要根据研究的目的，各种方法的检测灵敏度与精密度，结合现有的条件综合考虑。
[作者简介] 李劲彤(1971-)，男，甘肃兰州人，在读博士生。
李劲彤(军事医学科学院毒物药物研究所，北京 100850)
阮金秀(军事医学科学院毒物药物研究所，北京 100850)
, 百拇医药
参考文献
[1] Benschop HP, de Jong LPA.Toxicokinetics of soman: species variation and stereospecificity in elimination pathways[J]. Neurosci Biobehav, 1991,15(1):73.
[2] Langenberg JP, Spruit HE, van der Wiel HJ, et al. Inhalation toxicokinetics of soman stereoisomers in the atropinized guinea pig with nose-only exposure to soman vapor[J].Toxicol Appl Pharmacol, 1998 ,151(1): 79.
, 百拇医药 [3] Due AH, Trap HC, Langenberg JP, et al. The toxicokinetics of soman stereoisomers subcutaneous administration to atropinized guinea pigs[J]. Arch Toxicol, 1994, 68(1): 60.
[4] Shih ML, Mcmonagle JD, Dolzine TW, et al. Metabolite pharmacokinetics of soman,sarin and GF in rats and biological monitoring of exposure to toxic organophosphorus agents[J]. J Appl Toxicol, 1994, 14(3):195.
[5] Reynolds ML, Little PJ, Thomas BF, et al. Relationship between the biodisposition of [3H] soman and its pharmacological effects in mice[J]. Toxicol Appl Pharmacol,1985, 80(3): 409.
, 百拇医药
[6] Hunter KW, Lenz DE, Brimfield AA, et al. Quantification of the organophosphorus nerve agent soman by competitive inhibition enzyme immunoassay using monoclonal antibody[J].FEBS Lett, 1982, 149(1):147.
[7] Loke WK, Kalsson B, Waara L，et al. Enzyme-based microassay for accurate determination of soman in blood samples[J].Anal Biochem, 1998,257(1): 12.
[8] Sipponen KB. Detector for organophosphorus compounds in liquid chromatography based on the cholinesterase inhibition reaction[J]. J Chromatogr, 1987 ,389(1): 87.
, http://www.100md.com
[9] Benschop HP, Bijleveld EC, Otto MF, et al. Stabilization and gas chromatographic analysis of the four stereoisomers of soman in rat blood[J]. Anal Biochem ,1985, 151(2): 242.
[10] Degenhardt -Langelaan CEAM, Kienz CE.Capillary gas chromatographic analysis of nerve agents using large volume injections[J]. J Chromatogr A, 1996,723(1): 210.
[11] Benschop HP, Trap HC, Spruit HE, et al. Low level nose-only exposure to the nerve agent soman: toxicokinetics of soman stereoisomers and cholinesterase inhibition in atropinized guinea pigs[J]. Toxicol Appl Pharmacol, 1998, 153(2): 179.
, 百拇医药
[12] Langenberg JP, van Dijk C, Sweeney RE, et al. Development of a physiologically based model for the toxicokinetics of C(±)P(±)-soman stereoisomers in the atropinized guinea pig[J].Arch Toxicol, 1997,71(5):5320.
[13] Maxwell DM, Vlahacos CP, Lenz DE. A pharmacodynamic model for soman in the rat[J]. Toxicol Lett,1988, 43(1-3):175.
[14] Singh AK, Zeleznikar RJ Jr，Drewes LR. Analysis of soman and sarin in blood utilizing a sensitive gas chromatography-mass spectrometry method[J]. J Chromatogr, 1985,24(1):163.
, 百拇医药
[15] Karlsson BM, Waara LM, Freriksson SA，et al. The effect of the calcium antagonist nimodipine on the detoxification of soman in anaesthetized rabbits[J]. J Pharm Pharmacol, 1997, 49(3):296.
[16] Shih ML, Smith JR,Mcmonagle JD, et al. Detection of metabolites of toxic alkylmethylphosphonates in biological sample[J]. Biol Mass Spectrom, 1991, 20(11):717.
[17] Katagi M, Nishikawa A, Tatsuno M, et al. Determination of main hydrolysis products of organophosphorus nerve agents, methylphosphonic acids in human serum by indirect photometric detection ion chromatography[J]. J Chromatogr B, 1997, 698(1-2): 81.
, 百拇医药
[18] Nassar AE, Lucas SV, Myler CA, et al. Quantitation analysis of chemical warfare agent degradation products in reaction masses using capillary electrophoresis[J]. Anal Chem, 1998, 70(17): 3598.
[19] Katagi M, Nishikawa M, Tatsuno M,et al. On-line solid-phase extraction liquid chromatography-continuous floe frit fast atom bambardment mass spectrometric and tandem mass spectrometric determination of hydrolysis products of nerve agents methylphosphonic acids by pbromophenacyl derivatization[J]. J Chromatogr A ,1999,833(2): 169., 百拇医药
摘 要 综述了梭曼及其代谢产物分析方法以及它们在梭曼的毒理学、毒代动力学及毒检中的应用。其中，手性毛细管柱气相色谱法或气质联用仪是实现梭曼四个异构体分离测定的较好手段；对梭曼酸性代谢产物的分析测定可以作为监测梭曼中毒的有力工具。
关键词：梭曼；代谢产物；毒代动力学
梭曼(soman)是难防难治的神经性毒剂，其主要毒性作用是不可逆地抑制乙酰胆碱酯酶(AChE)，使乙酰胆碱(ACh)积聚而产生胆碱能症状，严重中毒者可迅速发生惊厥、呼吸衰竭而导致死亡。梭曼有一个不对称的碳原子和一个不对称的磷原子，因此有四个光学异构体，即 C(+)P(+), C(+)P(-), C(-)P(+), C(-)P(-), 这些异构体的毒理学特性差别很大。其中，C(±)P(-) 对AChE抑制速率比C(±)P(+)快5个数量级，毒性大20～50倍，因此，C(±)P(-)是消旋梭曼中起主要毒性作用的一对异构体，C(-)P(-)较C(+)P(-)毒性更大。另外，梭曼的毒代动力学显示，相对无毒的C(±)P(+)与高毒的C(±)P(-)梭曼在体内的代谢过程有显著差异，C(±)P(+)主要通过酶水解而迅速消除，而C(±)P(-)异构体则主要通过与羧酸酯酶(CaE)及丁酰胆碱酯酶(BuChE)结合解毒[1]。对不同的中毒途径，四个光学异构体在体内的处置过程也有差别，如在豚鼠皮下注射或吸入梭曼较等毒剂量静脉注射后血中C(±)P(-) 高毒性异构体浓度高出近一倍[2，3]。梭曼进入体内后迅速消除，血中仅存少量母体化合物，而尿中的酸性代谢物浓度高，半衰期长，可以作为监测梭曼中毒的化学标记物[4]。所以，建立灵敏、特异的梭曼四个光学异构体及其代谢产物的分析方法对研究梭曼中毒后体内代谢过程、解毒药物的药理学评价及中毒诊断都具重要意义。本文对梭曼及其代谢产物的主要分析方法及应用情况作一综述。
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1 放射性同位素标记方法
早期的研究主要是用14C或3H标记梭曼，检测其放射性活性来研究梭曼体内的分布与排泄。但它不能区分梭曼的非水解产物与大量的水解产物，并且用此方法不能分别研究梭曼四个异构体的代谢过程，特异性较差，因此其应用受到一定的限制[5]。
2 生物学检测方法
早在80年代初，Hunter等[6]就用梭曼的单克隆抗体结合技术竞争性抑制酶免疫测定方法来检测梭曼，但因其抗体亲和力不高，特异性较差，此技术并未得到充分的应用与发展。
2.1 外源性酶抑制法测定血中游离梭曼
目前多采用高氯酸沉淀血浆中蛋白(酶)，再外加外源性AChE，通过残留酶活性与梭曼浓度之间的线性关系来确定梭曼在血中的残余量。此方法操作简单，重复性好，灵敏度高，测定范围在18～1 820 pg/ml血，测定精密度在±10%以内。此方法可作为研究梭曼毒代动力学血中残余量的监测手段，也适用于其他多种有机磷毒剂体内外快速检测。但此方法主要检测的是血中高毒性的梭曼C(±)P(-)异构体，不能精确研究C(±)P(±)四个异构体体内的代谢解毒过程[7]。
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2.2 基于胆碱酯酶抑制的液相色谱检测法
Sipponen[8]等用甲醇-水作流动相，在有线性梯度系统的反相色谱将梭曼分离，再用梭曼与胆碱酯酶柱后反应，以残余酶活性与梭曼浓度的线性关系定量梭曼。此方法检测限可达10 pg，重复性在±1%，但也不能区分梭曼四个光学异构体而使用受限。
3 气相色谱(GC)、气质联用(GC-MS)仪检测梭曼四个异构体
真正能实现梭曼四个异构体分离测定的是手性毛细管柱的气相色谱法或气质联用仪。Benschop等[9]在1985年就以2H标记梭曼异构体作为内标，用手性毛细管柱分离，氮磷检测器检测实现了梭曼四个异构体的分离测定。检测灵敏度可达250 pg。在处理血样时，采用酸化血液(pH 4.2)，加入铝离子中和氟离子，以及加入特戊基-甲基氟膦酸酯以占据梭曼的结合位点等方法，保持了梭曼四个异构体的稳定性。近年来，热解吸/冷捕获的大体积进样(200 μl)毛细管气相色谱法的发展可使梭曼的检测达到100 ng/L水平，为研究梭曼毒代动力学提供了有力手段[10]。并适用于沙林、塔崩、 VX等神经性毒剂的微量测定。
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呼吸道染毒是梭曼重要的中毒途径，用手性毛细管柱的气相色谱术可以研究动物呼吸道中毒后梭曼四个异构体的毒代动力学。Benschop等与Langenberg等[11，12]分别用豚鼠研究发现，动物吸入梭曼数分钟，C(±)P(-)异构体在染毒期迅速升高，其浓度-时间关系的数学模型可用非线性回归获得，动力学模型呈不连续过程，即染毒期单幂关系，染毒后期双幂关系。其中，C(+)P(-)较C(-)P(-)异构体吸收相落后，可能是C(+)P(-)较多地与CaE结合的原因。而吸入中毒较等毒剂量静脉给药，梭曼末端半衰期长，可能由于在上呼吸道存在一个梭曼的储存库，染毒终止后又缓慢释放的原因。结合梭曼的测定、血与组织中AChE的测定、梭曼水解率的测定、血与各组织匀浆梭曼结合能力的测定及心输出量与组织血流量的测定等，可以建立起梭曼中毒的毒代动力学生理模型[12，13]。
用GC-MS可以灵敏而准确地检测梭曼的四个异构体，在处理血标本时，可以用高氯酸沉淀蛋白，梭曼提取率可达81%[14]。可用此方法研究药物对梭曼异构体体内解毒的影响。Karlsson[15]等研究了钙拮抗剂尼莫地平对抗梭曼兔中毒作用，发现尼莫地平可能通过肺解毒机制，降低了毒性梭曼C(±)P(-)的初始浓度。
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4 梭曼主要代谢产物的检测方法
梭曼主要代谢产物是通过酶催化水解和(或)自发水解产生的甲基磷酸频哪基酯(PAMA)。另外，梭曼还可与CaE或BuChE能可逆或不可逆性结合，生成的PAMA由尿排泄。而梭曼对酶不可逆的膦酰化作用则使梭曼代谢产物的毒代动力学过程与沙林、塔崩等其他神经性毒剂不同，表现出更复杂、缓慢、不完全消除的特点。Shih等[4，16]用GC-MS分析了梭曼大鼠皮下染毒后尿中PAMA的排泄速率，发现其呈双相，t1/2分别为3.6 h与18.5 h，早期排出的是P(+)的水解产物， 而后期排出的以P(-)的水解产物为主， 总回收率仅为62%，肺是主要的蓄积器官。与酶不可逆结合的梭曼可通过加入表面活性剂(Triton-X 100)与10 mol/L NaOH，在高温高压下水解后再提取，并用GC-MS测定PAMA来检测。Katagi等[17]应用阴离子交换柱的间接光度检测器的离子色谱术(IPD-IC)检测人血清中的PAMA，线性测定范围为100 ng/ml～1 μg/ml血清，回收率可达72.9%。另外，Nassar等[18]用毛细管电泳法测定PAMA，定量测定限在500 ng/ml以内，回收率可达86%以上，具有样本制备简单、分析迅速等优点。
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目前，检测PAMA最灵敏的方法是通过对PAMA进行对溴甲基甲酰苯衍生化，用在线固相提取(SPE)液相色谱连接快原子轰击质谱(LC-MS)和串级质谱测定(LC-MS-MS)，检测范围在0.5～3 ng/ml, 精密度在6%以下，PAMA 在血清与河水中的回收率分别是88%和94.1%，有效地提高侦毒检毒水平[19]。
梭曼及其代谢物的分析方法的进展，为深入研究梭曼毒性作用及梭曼的侦检提供了有力的工具，在实际应用时，要根据研究的目的，各种方法的检测灵敏度与精密度，结合现有的条件综合考虑。
[作者简介] 李劲彤(1971-)，男，甘肃兰州人，在读博士生。
李劲彤(军事医学科学院毒物药物研究所，北京 100850)
阮金秀(军事医学科学院毒物药物研究所，北京 100850)
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参考文献
[1] Benschop HP, de Jong LPA.Toxicokinetics of soman: species variation and stereospecificity in elimination pathways[J]. Neurosci Biobehav, 1991,15(1):73.
[2] Langenberg JP, Spruit HE, van der Wiel HJ, et al. Inhalation toxicokinetics of soman stereoisomers in the atropinized guinea pig with nose-only exposure to soman vapor[J].Toxicol Appl Pharmacol, 1998 ,151(1): 79.
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[16] Shih ML, Smith JR,Mcmonagle JD, et al. Detection of metabolites of toxic alkylmethylphosphonates in biological sample[J]. Biol Mass Spectrom, 1991, 20(11):717.
[17] Katagi M, Nishikawa A, Tatsuno M, et al. Determination of main hydrolysis products of organophosphorus nerve agents, methylphosphonic acids in human serum by indirect photometric detection ion chromatography[J]. J Chromatogr B, 1997, 698(1-2): 81.
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[19] Katagi M, Nishikawa M, Tatsuno M,et al. On-line solid-phase extraction liquid chromatography-continuous floe frit fast atom bambardment mass spectrometric and tandem mass spectrometric determination of hydrolysis products of nerve agents methylphosphonic acids by pbromophenacyl derivatization[J]. J Chromatogr A ,1999,833(2): 169., 百拇医药