人体中的金属稳定同位素:地球化学送给医学的礼物

1、摘要

不同于放射性同位素,Ca、Cu、Fe 等稳定同位素在生物与医学领域的应用潜力更大。本文着重对金属稳定同位素在医学中的一些比较有趣的应用进行了评述。

2、引言

像Ca、Mg 等碱土金属和Cu、Zn、Fe 等过渡金属元素,可用作精确的医学诊断工具。他们在人体内的转换率也相对较低。天然存在于人体和其它有机物中的金属稳定同位素的丰度是变化的。这就是人所共知的“同位素效应(isotope effects)。同位素效应是描述分子振动能级水平分布的海森堡(Heisenberg)不确定性原理的一种结果。直到20 世纪90年代晚期研发出多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICPMS),才有可能精确地评估生物体内Cu、Zn、Fe 等金属同位素的变化。

3、人体中的Ca 稳定同位素:骨骼疾病的医学诊断工具

我们身体中99% 的Ca 以羟磷灰石的形式存在于骨骼中,骨质流失是一个动态过程。Ca 是第一种对其6 种同位素变化进行了调查的非常规元素。Ca 同位素可采用两种方法进行常规分析:热电离质谱技术(TIMS)和多接收电感耦合等离子体质谱技术(MC-ICPMS)。两个主要结论包括:一是当Ca 通过食物链时,它将变成较轻的同位素;第二,骨骼里的Ca 是轻同位素。Ca 同位素可用于量化骨骼钙流出与流入的数量,而不需要往饮食中添加示踪剂。这也跟骨质疏松症的Ca 研究有关,骨质疏松症在老年女性人群中尤为常见。

4、人体中的Fe 稳定同位素:遗传性疾病的示踪剂

Fe 在人类生物学中的作用特别重要,因为含二价铁的血红蛋白是血液中氧气的主要携带者。其他Fe 储存在肝脏和肾脏里,主要为Fe(III)铁蛋白,它相当于包裹着一层蛋白质外壳的水合氧化铁。研究表明失血后血液里的Fe 同位素会变得比较重,这被解释成为了弥补血液中流失的Fe,而从肝脏和肾脏中快速补回了Fe。从Fe 的天然稳定同位素角度来研究的第一种疾病是遗传性血色素沉着病。

5、人体中的Cu 稳定同位素:潜在癌症的诊断标志

Cu 在几种重要的酶中同时扮演着催化剂与结构组成的作用。Cu 可能是快速发展疾病(如癌症)的一个有价值的指标。有癌症的病人,其血清中的Cu 含量通常很高。使用硫代钼酸盐和D- 青霉胺的螯合物来降低人体内的Cu 含量,这种方法已经被许可应用于癌症治疗。Cu 同位素在成为癌症标志方面具有很大的潜力。Cu 同位素信号比较强似乎与Cu 被乳酸螯合有关。

血清乳酸自身受膜运输过程严格控制,而发生代谢,因而很难代表细胞内的乳酸。相反,血液中的Cu 同位素反映了细胞内的新陈代谢状态及其对正常糖酵解的替代程度。因此,血清中的Cu 同位素丰度,似乎是癌症生长和扩散的一个强有力的潜在生物标志。

6、“医学同位素金属组学”的未来发展方向

将金属稳定同位素作为生物标志的发展前景良好,这个领域我建议称为“医学同位素金属组学”。体液中特定配位体对同位素变异性的影响可以根据第一性原理来预测,该原理可识别具体的生物学路径。同位素组成分析不需要严格的时间表,其重要性在于很多过去留下来的样本在采集多年后仍然可以进行分析。最后,不同的金属在人体内有不同的周转时间,于是同位素金属组学就能够为描述不同时间尺度的不同类型的疾病提供比较灵敏又广泛的潜在标志。

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