人類的乙酰膽堿酯酶與昆蟲的差別還不夠大，很多有機(jī)磷殺蟲劑對人類也有神經(jīng)毒害作用，而且有可能會(huì)被皮膚吸收，其也就讓人擔(dān)心會(huì)被用于化學(xué)武器。

——姜韜中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所生物學(xué)研究中心高級工程師

◎本報(bào)記者馬愛平

以有機(jī)磷為基礎(chǔ)的神經(jīng)毒劑是人類已知毒性最強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)之一。近日，細(xì)胞出版社旗下期刊《化學(xué)催化》在線發(fā)表了一項(xiàng)研究，美國西北大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)出一種與鋯基金屬有機(jī)框架(MOFs)集成的水凝膠，可以快速降解化學(xué)戰(zhàn)中使用的有機(jī)磷類神經(jīng)毒劑。

“該研究工作在鋯—有機(jī)物分子骨架中，增加了聚乙烯亞胺環(huán)氧化物的交聯(lián)，開發(fā)出一種在通風(fēng)條件下也能夠維持的水凝膠，可以近乎瞬時(shí)水解幾個(gè)典型有機(jī)磷神經(jīng)毒劑，實(shí)現(xiàn)對接觸面上的解毒，這都是在上一個(gè)2018年同類實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，代表向著生產(chǎn)用于實(shí)際條件下神經(jīng)毒劑瞬時(shí)解毒的防護(hù)裝備邁出了關(guān)鍵一步。”中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所生物學(xué)研究中心高級工程師姜韜在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)表示。

毒害機(jī)理類似殺蟲劑

神經(jīng)毒劑往往令人聞之色變，那么以有機(jī)磷為基礎(chǔ)的神經(jīng)毒劑是如何對人類產(chǎn)生毒害的?

對此，姜韜解釋，有機(jī)磷(Organophosphates，OPs)是一類化學(xué)殺蟲劑的統(tǒng)稱，其主要的作用是對昆蟲的乙酰膽堿酯酶(AChE)進(jìn)行共價(jià)修飾，產(chǎn)生對酯酶水解乙酰膽堿的抑制作用。

“動(dòng)物的神經(jīng)傳導(dǎo)依賴神經(jīng)突觸之間的神經(jīng)遞質(zhì)——乙酰膽堿與其受體的作用。正常情況下作為神經(jīng)遞質(zhì)的乙酰膽堿，在神經(jīng)突觸間起作用，乙酰膽堿由合成的細(xì)胞分泌后激活臨近的細(xì)胞表面的乙酰膽堿受體，將信號傳遞下去，并立即被乙酰膽堿酯酶水解掉，以便受體可以接受下一次釋放的乙酰膽堿激活。”姜韜說。

姜韜分析，如果乙酰膽堿酯酶與有機(jī)磷農(nóng)藥結(jié)合，導(dǎo)致活性喪失，乙酰膽堿就無法被及時(shí)去掉，突觸部位大量乙酰膽堿積累，突觸后膜的乙酰膽堿受體不斷地被激活，突觸后神經(jīng)纖維長時(shí)期處于興奮狀態(tài)。同時(shí)，突觸部位正常的神經(jīng)沖動(dòng)傳導(dǎo)也就受到阻塞，中毒后的昆蟲會(huì)立即出現(xiàn)肌肉等組織的高度興奮、痙攣，最后癱瘓、死亡。

實(shí)際上，對乙酰膽堿酯酶的研究已經(jīng)有70多年的歷史，有超過2萬篇相關(guān)科學(xué)論文成果。

“人類的乙酰膽堿酯酶與昆蟲的差別還不夠大，很多有機(jī)磷殺蟲劑對人類也有神經(jīng)毒害作用，而且有可能會(huì)被皮膚吸收，這也就讓人擔(dān)心會(huì)被用于化學(xué)武器。比如，二戰(zhàn)期間被納粹德國嘗試投入生產(chǎn)的沙林毒劑就是如此。”姜韜指出。

物理防護(hù)是首要防線

面對有機(jī)磷神經(jīng)毒劑，人類通常使用物理防護(hù)，藥物解毒。

姜韜解釋，人類對于有機(jī)磷農(nóng)藥的防護(hù)，首先是物理防護(hù)，比如用防毒面具，甚至全身性防護(hù)服防止毒藥的吸入及其與皮膚的接觸。

對于中毒的高等動(dòng)物而言，有機(jī)磷農(nóng)藥首先毒害的是肝臟和腎臟，并帶來劇烈腹痛，同時(shí)還會(huì)毒害大腦，之后心臟機(jī)能也會(huì)受到傷害。

專家分析，有機(jī)磷農(nóng)藥可因食入吸入或經(jīng)皮膚吸收而產(chǎn)生中毒。其中小兒意外中毒較為多見，原因多為誤食被有機(jī)磷農(nóng)藥污染的食物(包括瓜果蔬菜、乳品、糧食，以及被毒死的禽畜水產(chǎn)品等);誤用沾染農(nóng)藥的玩具或農(nóng)藥容器;不恰當(dāng)?shù)厥褂糜袡C(jī)磷農(nóng)藥殺滅蚊蠅、虱蚤、臭蟲、蟑螂，及治療皮膚病和驅(qū)蟲;母親在使用農(nóng)藥后未認(rèn)真洗手及換衣服而給嬰兒哺乳;用包裝有機(jī)磷農(nóng)藥的塑料袋做尿墊或用噴過有機(jī)磷農(nóng)藥的田頭砂土填充“土包褲”代替尿墊;在噴過有機(jī)磷農(nóng)藥的田地附近玩耍引起吸入中毒等。

因此，姜韜說，我國政府農(nóng)藥主管部門，已有序禁止使用毒性較高的有機(jī)磷農(nóng)藥。

“有機(jī)磷農(nóng)藥中毒后，可以盡快使用解磷定等藥物解毒，它可以將有機(jī)磷修飾的部分再從乙酰膽堿酯上去除掉，大致恢復(fù)乙酰膽堿酯的數(shù)量和活性，不過人類的乙酰膽堿酯被相應(yīng)有機(jī)磷化合物共價(jià)修飾后的復(fù)合物會(huì)隨時(shí)間進(jìn)一步發(fā)生結(jié)構(gòu)的不可逆改變，這一改變稱為老化，老化后的乙酰膽堿酯酶便無法恢復(fù)活性。如果有機(jī)磷農(nóng)藥毒性較低，劑量有限，組織沒有壞死，肌體沒有死亡，還可以靠細(xì)胞表達(dá)出新的酶分子徹底替換掉，逐漸恢復(fù)正常。”姜韜說。

2018年，一個(gè)由美國陸軍化學(xué)生物專家參與的項(xiàng)目首次報(bào)道其系統(tǒng)地研究使用MOFs進(jìn)行有機(jī)磷化合物的溶劑解的有效性。

“結(jié)果表明，使用以鋯為中心金屬的有機(jī)骨架甲醇凝膠，可以溶劑解模擬化學(xué)武器(化學(xué)戰(zhàn)劑)的幾種有機(jī)磷化合物，而不會(huì)消耗這個(gè)鋯—有機(jī)物骨架化合物，即原本作為結(jié)構(gòu)框架的鋯—有機(jī)物骨架居然同時(shí)具有對有機(jī)磷溶劑解的催化劑的作用，這應(yīng)該算是一個(gè)意外收獲。”姜韜說。

新材料便于用在防護(hù)服上

今年，美國西北大學(xué)化學(xué)和國際納米技術(shù)研究所、美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展指揮化學(xué)生物中心以及西北大學(xué)化學(xué)和生物工程系合作發(fā)表論文，題為《鋯基金屬—有機(jī)骨架水凝膠復(fù)合材料近瞬

時(shí)催化水解有機(jī)磷神經(jīng)毒劑》。

與現(xiàn)有的粉狀MOF吸附材料不同，這種水凝膠材料不需要添加水，因此更便于用在防護(hù)口罩或服裝上。西北大學(xué)化學(xué)教授、論文通訊作者OmarFarha說：“在最近的全球沖突中化學(xué)武器的使用，反映出急需個(gè)人防護(hù)裝備，以及大規(guī)模銷毀化學(xué)武器儲備的緊迫性。在這項(xiàng)工作中，我們將MOFs和含胺交聯(lián)水凝膠整合到布料中，以建立適當(dāng)?shù)奈h(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)神經(jīng)毒劑的快速降解，并提供實(shí)時(shí)保護(hù)。”

雖然MOFs之前已經(jīng)證明了其在實(shí)驗(yàn)室中快速分解有機(jī)磷制劑和類似模擬物質(zhì)的能力，但事實(shí)證明，這些粉末吸附劑很難直接集成到防護(hù)布中。當(dāng)神經(jīng)毒素與鋯6簇結(jié)合時(shí)，通常會(huì)使粉末和纖維復(fù)合催化劑失活。這一缺陷要求使用堿性溶液來再生MOFs的催化位點(diǎn)，這不會(huì)阻止MOFs被用于消除儲存的化學(xué)武器，但會(huì)阻礙它們在穿戴防護(hù)裝備中的使用。

為了克服這一挑戰(zhàn)，F(xiàn)arha及同事設(shè)計(jì)了一種基于MOF的織物復(fù)合系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用胺基水凝膠中的水來分解神經(jīng)毒劑。

“表面含有這種水凝膠的防護(hù)服，能夠水解接觸到的有機(jī)磷戰(zhàn)劑，意味著表面防護(hù)服不需要消毒，只需確保凝膠里的水分就可以重復(fù)使用。這相比通常的防護(hù)服必須消毒和徹底清洗并驗(yàn)證后才能重復(fù)使用具有一定優(yōu)勢。”姜韜解釋。

“該研究發(fā)源自金屬有機(jī)化合物化學(xué)，從上世紀(jì)60年代以來不斷發(fā)展壯大，分支出金屬有機(jī)化合物，過渡金屬有機(jī)化合物，金屬簇化合物，過渡金屬簇合物，金屬—有機(jī)骨架合物等，從純基礎(chǔ)研究，發(fā)展出了具有實(shí)用意義或潛在功能的全新分子產(chǎn)品。”姜韜指出，這表明了科技發(fā)展的一個(gè)重要特點(diǎn)，進(jìn)行基礎(chǔ)研究時(shí)不知道明天會(huì)發(fā)現(xiàn)什么，更不知道未來發(fā)展還會(huì)帶來什么，科學(xué)家研究和升級一個(gè)分子的結(jié)構(gòu)，還會(huì)帶來意外的新功能，科學(xué)與技術(shù)交相促進(jìn)相得益彰，不斷獲得理論和創(chuàng)新成果。

關(guān)鍵詞： 水凝膠 降解毒劑 殺蟲劑 毒害機(jī)理