嘉峪检测网 2020-01-16 09:44
导读：本文主要针对基因毒性杂质中的N-亚硝胺类化合物，介绍其毒理学研究进展以及食品、水体、烟草、药品等不同基质中检测方法的研究进展，包括毒理学作用机制、前处理方法、定量方法等，旨在为药品基质中N-亚硝胺类化合物的检测研究提供参考。
作者：葛雨琦，叶晓霞，乐健，杨永健，王彦
复旦大学药学院
上海市食品药品检验所
国家药品监督管理局化学药品制剂质量分析重点实验室
摘要
基因毒性杂质能够损伤DNA，造成DNA 突变，致癌，严重危害人类健康。
本文主要针对基因毒性杂质中的N-亚硝胺类化合物，介绍其毒理学研究进展以及食品、水体、烟草、药品等不同基质中检测方法的研究进展，包括毒理学作用机制、前处理方法、定量方法等，旨在为药品基质中N-亚硝胺类化合物的检测研究提供参考。
关键词：N-亚硝胺；基因毒性杂质；毒理学；检测方法
N-亚硝胺是一类以亚硝基—NO 的氮原子与氨基中的氮原子连接，并在氨基上发生取代而生成的一类化合物，在碱性溶液中稳定。
其生成机制多样，包括仲胺类化合物与亚硝酸之间的相互作用[1]，叔胺类化合物与一氯胺之间的亲核取代反应[2]，溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的氧化[3]，橡胶硫化剂与空气中氮氧化合物相互作用[4]等。
基因毒性杂质是指能够直接或间接损伤细胞DNA，产生致突变和致癌变的化合物，含有基因毒性杂质警示结构，毒性未经证明的化合物称为潜在基因毒性杂质。
目前普遍认为基因毒性杂质损伤DNA 的机制为造成染色体断裂，DNA 重组，在DNA 复制过程中以共价键结合或插入。
鉴于基因毒性杂质对人类健康的危害，欧盟发布了1 个超级化合物结构，包含了目前所有的基因毒性杂质警示基团，例如磺酸酯类、卤代烷烃类、肼类和N-亚硝胺类等。
最近多个厂家生产的缬沙坦原料药中检出N-亚硝基二甲胺(NDMA)，引发制药行业对N-亚硝胺类化合物的广泛关注，本文主要对N-亚硝胺类化合物的毒性和检测方法的研究进展做一综述。
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N-亚硝胺类化合物的毒性研究
多个细胞和动物水平的实验证明，N-亚硝胺类化合物具有强致癌作用和明显的肝毒性，不但长期小剂量接触可以致癌，而且一次较大剂量的冲击也可以引发癌症，医学实验中也常使用N-亚硝胺类化合物对动物进行疾病造模[5-6]。
2017 年世界卫生组织发布的致癌物清单中，多种N-亚硝胺类化合物位列一类、二类致癌物，包括常见的4-(甲基亚硝胺基)-1-(3-吡啶基)-1-丁酮、N-亚硝基降烟碱、N-亚硝基二甲胺、N-亚硝基二乙胺、N-亚硝基甲基乙基胺、N-亚硝基二丙胺、N-亚硝基二丁胺、N-亚硝基吗啉、N-亚硝基哌啶、N-亚硝基吡咯等。
FDA根据The Carcinogenic Potency Database(CPDB 数据库)中的毒理学数据，通过换算，列出了可供参考的N-亚硝基二甲胺和N-亚硝基二乙胺的人体摄入限值，分别为0.096 μg·d-1和0.0265 μg·d-1。
但是大多数N-亚硝胺类化合物的毒性研究仍缺乏充分的人体实验数据，所以在进行毒理学研究时常使用阶段性毒理学阈值，按照长期接触计算，每日允许摄入限值为1.5 μg。
此类化合物常出现在腌制类食品[7]、化妆品[8]、烟草[9]、水[10]、药品[11-13]等物质中，对人体健康具有极大的危害。
1.1 致癌机理
自20 世纪N-亚硝胺类化合物被发现以来[14]，关于此类化合物的毒性研究从未停止。
百年来陆续发现N-亚硝胺类化合物与多种癌症的发病相关，并对其作用机制进行了进一步研究。
Gankhuyag 等[15]发现烟草中的N-亚硝胺类化合物与乳腺癌发病有因果关系，烟碱型乙酰胆碱受体(nicotine acetylcholine receptor, nAChR)是阳离子选择性通道受体，其激活与细胞增殖、抗凋亡和血管生成过程有关，而nAChR 受体家族成员中α9nAChR 的表达在雌激素受体阳性的乳腺癌细胞中上调，与雌激素受体联合刺激乳腺癌的发生。
且侧流烟雾的毒性约是主流烟雾的4 倍，被动暴露也是不可忽视的高危因素。Hirata 等[16]采用醛脱氢酶(ALDH)免疫组化技术检测4-(甲基亚硝胺基)-1-(3-吡啶基)-1-丁酮对腺癌人类肺泡基底上皮细胞(A549 细胞)的影响，发现烟草中特有的4-(甲基亚硝胺基)-1-(3-吡啶基)-1-丁酮，通过剂量依赖的方式增加醛脱氢酶阳性细胞的比例，诱导活性氧产生，而产生的活性氧激活了A549 细胞中的Wnt 信号通路，进一步诱发了肺癌。
而Kume等[17]发现大鼠膀胱癌中，N-丁基-N-(4-羟基丁基)亚硝胺诱导L 型氨基酸转运体1(L-typeamino acid transporter 1, LAT1)高表达，有利于肿瘤血管的生成，加速肿瘤的生成和转移。
1.2 DNA 损伤机理
对N-亚硝胺类化合物与DNA 作用的进一步研究还发现，4-(甲基亚硝胺基)-1-(3-吡啶基)-1-丁酮经代谢活化后，会产生许多DNA 加合物，包括O2-甲基胸苷(O2-Me-dT)和O2-[4-(3-吡啶基)-4-氧代丁基-1-胸苷(O2-POB-dT)，体积较大的O2-POB-dT 具有较高的遗传毒性，有26%的跨损伤合成发生，而O2-Me-dT 的遗传毒性较小，但有55%的跨损伤合成发生。
2 种病变均引起细菌优势突变T→G 的频率增高[18]。
同时Du 等[19]对N-亚硝胺引发的DNA 加合物进行研究也发现在双链质粒中，O2-POB-dT 和O4-POB-dT 加合物能中度阻断DNA 复制，分别诱导T→A(14.9%)和T→C(35.2%)突变；另一方面，O6-POB-dG对DNA 复制有轻微抑制作用，主要引起G→A 转变(75%)。
1.3 其他毒性机理
亚硝胺类化合物除了能够致癌，造成DNA 突变，在其他方面也具有不同程度的毒性。
例如，N-亚硝基丁胺、N-亚硝基二乙胺、N-亚硝基二甲胺、N-亚硝基二苯胺等能增加大鼠体内肌酸激酶和乳酸脱氢酶活性，增加自由基水平，降低抗氧化酶活性，从而增加心血管疾病的发生率[20]。
N-Sheweita 等[21]研究了环境中常见的4 种N-亚硝胺：N-亚硝基二甲胺、N-亚硝基二乙胺、N-亚硝基甲基乙基胺和N-亚硝基二苯胺，通过测定雄性家兔体内17β-羟类固醇脱氢酶(17β-HSD)活性和组织病理学观察，发现4 种N-亚硝胺均能抑制家兔肝脏和睾丸组织抗氧化酶活性，改变肝脏和睾丸组织结构，导致肝毒性和不孕症。
O-由此可见，N-亚硝胺类化合物对健康的危害不容忽视，对各个来源的N-亚硝胺类化合物进行检测十分必要。
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N-亚硝胺类化合物检测方法研究进展
目前 N-亚硝胺类化合物的检测方法既有传统的基于重氮化-显色反应的盐酸萘乙二胺法[22]，依赖于新型氧化氮/臭氧化学发光-气相色谱检测器的热能检测法[23]、气相色谱串联质谱法[27]、液相色谱串联质谱法[29]，也有基于新型检测原理的荧光检测法[24]。
传统的盐酸萘乙二胺法和薄层色谱法操作简便，对设备要求低，但灵敏度低，现在已经难以满足分析的需要，因此灵敏度更高的新型仪器逐渐取代了传统的分析手段。
同时分析工作者们针对不同基质中N-亚硝胺类化合物的检测方法进行研究，开发出了不同的前处理方法，进一步提高了检测灵敏度。
下面介绍不同基质中N-亚硝胺类化合物检测的最新研究进展。
2.1 食品中的检测
食品中的N-亚硝胺类化合物来源主要是各类包装材料生产过程中副产物和腌制发酵过程的副产物。
由于食品直接与人体接触，潜在风险高，近些年陆续开发了多种N-亚硝胺类化合物测定方法。
Lu 等[25]通过2-(11H-苯[a]咔唑)乙基氯甲酸酯(BCEC-Cl)对目标化合物进行荧光标记，采用三氯甲烷-乙腈分散液液微萃取来富集标记后的目标化合物，以高效液相色谱法对泡菜、腊肠、咸鸭蛋等中式传统腌制食品进行检测，各种化合物定量限介于0.03~0.21 ng·g-1之间，日内精密度和日间精密度均符合要求。
该方法与热能检测法相比，灵敏度提高近100 倍，而且所需试剂量小，检测仪器简单，易推广。
Kühne 等[26]则采用不同的溶剂对食品包装材料进行模拟迁移实验，包括去离子水、3%乙酸、10%乙醇和50%乙醇，利用液相色谱串联三重四极杆质谱对迁移样品中的N-亚硝胺类化合物进行检测，前处理方法简便，依靠质谱进行定量检测，灵敏度高。
同时，Kühne等在实验中也发现环境温度为40 ℃时，N-亚硝基二苯胺在纯水、3%醋酸、10%乙醇、50%乙醇4 种介质中均易发生降解，6 h 内含量下降明显，这提示在后续的研究过程中要注意低温保存N-亚硝基二苯胺。
Seo 等[27]采用液液萃取结合固相萃取的方式，以Extrelut NT 为液液萃取基质，Sep-PakFlorisil 为固相萃取填料，以气相色谱串联三重四极杆质谱(化学电离源)定量，对食品中的无脂类基质和富脂类基质中的N-亚硝胺类化合物进行检测，线性、精密度、回收率较好，7种化合物定量下限范围为0.3~0.58 μg·kg-1；此研究首次针对不同基质的特点开发不同前处理方法，可以实现多种同类型基质样品的同时检测，在色谱柱的选择上也采用了DB-5ms柱串接DB-WAX 柱，能够更好地对化合物进行分离，方法具有通用性，应用前景良好。
Zhao 等[24]创新性地采用了柱前荧光标记法检测N-亚硝胺类化合物。样品用二氯甲烷提取甲醇复溶后，N-亚硝胺化合物进行脱氨反应，然后用1,2-苯并-3,4-二氢咔唑-9-氯甲酸乙酯(BCEOC)对目标N-亚硝胺化合物进行标记，再利用BCEOC 化合物中的大型共轭结构，通过液相色谱-质谱联用仪进行检测，N-亚硝基吡咯、N-亚硝基二乙胺、N-亚硝基二丙胺、N-亚硝基二丁胺4 种化合物线性相关系数大于0.999 8，检测下限在1.3~2.5 ng·L-1之间，精密度RSD 小于7%。
对食品样本牛肉、咸鸭蛋、腌黄瓜等进行加样回收试验，回收率均达到90%~105%。该方法利用N-亚硝胺结构上的叔胺N 进行检测，改变了常见的检测模式，为新型检测方法的开发提供了思路。
2.2 水体中的检测
含氯消毒剂的使用和臭氧化消毒是水体中N-亚硝胺的产生途径之一[28]。
由于水体在生活中无处不在，但污染经常被忽视或难以察觉，因此有必要对环境水和饮用水中的N-亚硝胺类化合物含量进行检测。
Zhao 等[29]用自制的固相萃取小柱对饮用水中的N-亚硝胺类化合物进行提取分离，弱碱性条件下上样，二氯甲烷洗脱，液相色谱串联三重四极杆质谱定量检测，并对比了电喷雾和大气压电离2 种离子源对N-亚硝胺的离子化效果，2 种电离方式均能检测到目标N-亚硝胺的电离。
电喷雾离子源(ESI)能产生母体化合物的特征离子和所有N-亚硝胺的子离子，大气压化学电离离子源(APCI)则不能产生热不稳定的N-亚硝胺如N-亚硝基二苯胺的母离子，而母离子和子离子的检测对于水中痕量N-亚硝胺的专属性测定具有重要意义。
因此，对热不稳定的N-亚硝胺化合物而言，ESI 有利于提高离子化效率，提高灵敏度。
McDonald 等[30]则采用椰子活性炭为填料的固相萃取小柱，对水中N-亚硝胺化合物进行富集，二氯甲烷洗脱后以气相色谱串联三重四极杆质谱检测，并加入同位素内标对检测结果进行校正。
城市自来水和3 次处理城市废水检测的日内RSD 和日间RSD 均小于10%，检测下限低于1 ng·L-1。
Chen 等[31]用椰子壳活性炭小柱富集水中的亚硝胺，无水硫酸钠脱水，氮吹至500 μL 后进样，比较了EI 源的单极质谱和串联质谱定量测定结果，发现串联质谱在去除基质干扰方面具有更好的优势。
Fan 等[32]开发了一种固相微萃取前处理结合气相色谱-质谱联用仪对饮用水和啤酒中的7 种N - 亚硝胺类物质进行检测的方法， 以碳分子筛和聚二甲基硅氧烷( c a r b o x e npolydimethylsiloxane)为固相萃取纤维，样品在85 ℃保持60 min 条件下完成吸附后，转移至气相色谱进样口，250 ℃保持5 min 解吸附，以选择离子模式定量检测，饮用水中定量下限可达0.6~2 ng·L-1，啤酒中定量下限可达20~52.4 ng·L-1，2 种样品中回收率为84.5%~95.5%；这种前处理方法所需溶剂少， 而且最大限度降低了基质效应的影响。
近年来随着分子印迹技术的发展，分子印迹结合固相萃取技术也在N-亚硝胺类化合物的检测中得到应用。
Li 等[33]采用沉淀聚合法，以甲基丙烯酸为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，N,N-二苯基甲酰胺为模板分子，合成了一款分子印迹固相萃取小柱用于水中N-亚硝基二苯胺 (NDPhA)的富集分离，超纯水中的NDPhA 的加样平均回收率均高于94%，检测下限和定量下限分别为0.8 ng·L-1和2.4 ng·L-1，实际样品中的NDPhA 的加样回收率在92%~107%之间，RSD 在0.3%~7.9%之间。
Li 等还考察了方法的耐用性，结果表明该萃取小柱在pH 5~10 和钙、铁、镁、钾、锰、铜、锌多种离子存在的条件下均可以达到90%以上的回收率。综上可见，水中N-亚硝胺类化合物的检测方法越来越重视样品的前处理，期望以更少的试剂消耗，最大限度地降低基质干扰。
2.3 烟草中的检测
烟草中的N-亚硝胺类化合物是在烟草调制、加工过程中，由烟草中的生物碱发生亚硝化反应生成的，是烟草中特有的化合物，常见的有4-(甲基亚硝胺基)-1-(3-吡啶基)-1-丁酮(NNK)、N-亚硝基降烟碱(NNN)、N-亚硝基新烟草碱(NAT)、N-亚硝基假木贼碱(NAB)4种。
Zhang等[34]采用了分散固相萃取的方式对烟草中的N-亚硝胺进行提取，分散固相萃取(DSPE)是一种快速、耐用、简便、廉价、安全的前处理方法，向烟气提取物中加入0.1%三甲胺水溶液并超声处理30 min后，取1.5 mL溶液加载至DSPE小柱上，依靠涡旋和离心进行提取分离，无需复杂的样品处理步骤。
采用高效液相色谱结合轨道离子肼质谱仪进行检测，通过对6个平行样品的分析，验证了该方法的有效性，平均回收率为84.7%~118%，RSD小于15%。
Chen等[35]采用二维液相色谱-串联三重四极杆质谱仪，对弗吉尼亚型卷烟烟气中特有的中低浓度的N-亚硝胺类化合物进行了分析。
先用Cambridge纤维收集主流烟雾，并用0.1mol·L-1乙酸铵溶液萃取，然后超声30 min，用0.22 μm聚四氟乙烯滤头过滤，作为供试品溶液。
供试品溶液进样后首先采用强阳离子交换柱对烟气中酸性和中性组分进行第一维分离，然后采用反相液相色谱-串联三重四极杆质谱仪，并以同位素氘代物为内标，在多反应监测模式下，对卷烟主流烟气中的N-亚硝胺类化合物进行了高灵敏的测定；
与传统方法相比，该方法几乎没有基质干扰，测得的亚硝胺含量在0.027~0.094 ng·mL-1范围内，重现性好，准确度高；最后，将该方法应用于肯塔基州香烟的分析，结果与烟草科学研究合作中心联合试验的结果一致。
Zhang等[36]自主设计了一种前处理方式，首先利用Cambridge滤板和聚四氟乙烯注射器过滤样品，然后采用自主设计的全自动在线固相萃取技术对样品进行前处理，液相色谱-串联质谱法定量，对NNN、NNK、NAT和NAB的定量下限分别达到每根香烟6.0、1.0、3.0和0.6 pg的水平，远低于目前市售香烟中的最低水平，方法的准确度在92.8%~107.3%之间，日内和日间的RSD分别小于5.4%和7.5%。
该方法具有灵敏度高，选择性好，准确度高，自动化程度高，能够批量处理等优点。
2.4 药品中的检测
药品中的N-亚硝胺类化合物的研究在20世纪70年代就已经开展[11-13]，但是后续的研究进展缓慢，只有有少量的文献报道。
Castegnaro等[37]对水蒸气蒸馏进行了改进，在蒸馏体系中加入一定量的矿物油，以克服蒸馏过程中的起泡现象，并将此方法应用于氨基比林、土霉素、双硫仑中N-二甲基亚硝胺的检测。
该方法以气相色谱进行分离，以热能检测器进行定量，最低检测限可低至1 μg·kg-1，但该方法取样量大，且操作过程烦琐，提取效率较低。
Norwood等[38]采用气相色谱-热能检测器定量分析吸入气雾剂中挥发性N-亚硝胺。该方法从药品包装中提取目标分析物，并通过气相色谱-热能分析检测进行分析。
样品分析表明，在每罐1 ng的微量水平上，吸入气雾剂未检测出N-亚硝胺。
2018年7月缬沙坦原料药中检测出N-亚硝基二甲胺(NDMA)以及厄贝沙坦制剂中检测出N-亚硝基二乙胺(NDEA)，氯沙坦钾制剂中检测出N-亚硝基-N-甲基-4-氨基丁酸(NMBA)为我们敲响了警钟，开发高灵敏度的检测方法和简便高效的前处理方法迫在眉睫。
因此各国药品监管部门纷纷发布检测方法，要求加强对N-亚硝胺类化合物的监测，表1中列出中国、美国、欧盟药监部门推荐的检测方法，并对前处理方法、定量方法、灵敏度水平进行了总结。
这些检测方法仅是针对NDMA或NDEA进行检测，N-亚硝基二丙胺等其他N-亚硝胺类化合物的检测，还需要进一步开发更适合的方法。
中国食品药品检定研究院[39]的方法采用甲醇溶解样品后直接进样，但缬沙坦易溶于甲醇，大量不挥发性物质进入质谱系统，易污染离子源，造成背景噪音升高。
FDA直接进样的方法则采用二氯甲烷作为提取溶剂，除溶解大量基质外，二氯甲烷的强挥发性对准确定量也有一定的影响。
虽然相对食品、烟草，药品中的基质较为简单，但大量基质进入检测系统，多次进样后系统的稳定性、灵敏度均会受到影响。
因此如何进行前处理，去除基质干扰，是今后药品中N-亚硝胺检测今后研究的重点。
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总结与展望
食品、水体、烟草中的N-亚硝胺类化合物的检测已经开展了多年，而关于药品中N-亚硝胺类化合物的研究则进展缓慢。
自缬沙坦中检出N-亚硝基二甲胺后，N-亚硝胺类化合物的检出范围不断扩大，今后制药企业、药品监管部门对此类化合物的毒性研究和检测方法研究势必更加重视，但是沙坦类化合物中N-亚硝胺类物质的检测仍然存在一些难点。
首先，沙坦类化合物与N-亚硝胺类杂质极性相近，且N-亚硝胺类杂质的含量相对于沙坦类药物来说属于痕量杂质，药品中大量基质的存在影响方法的稳定性和准确度。
所以如何在前处理过程中除去大量的沙坦类药物，而不损失或尽可能少损失N-亚硝胺类化合物是前处理过程中需要关注的重点。
虽然目前在食品、水、烟草领域，有很多新颖的前处理方法，如椰子壳活性炭固相萃取小柱萃取法[30]、荧光标记衍生化结合分散液液微萃取法[25]、分子印迹固相萃取小柱萃取法[33]，但是受化合物极性、取样量等限制，这些处理方法无法在药品体系中直接应用。
因此原理简单，操作简便，回收率稳定的前处理方法更适合于药品体系。
其次N-亚硝胺类化合物是一系列含有相同官能团的化合物，因此如何保证检测的专属性则是定量环节需要优先考虑的。
相比于单四极杆质谱仪，选择性更强的三重四极杆质谱仪能够提供更好的专属性，避免假阳性的结果。
在此，由衷地期望本文为药品中N-亚硝胺类基因毒性杂质检测提供参考，能有更深入的研究成果出现，能够扩大检测范围，提高分析效率，提高检测灵敏度，严格保证药品质量安全。
来源：药物分析
