芥子气，英文全称sulfur mustard（以下简称SM，美军代号HD），化学式为C4H8Cl2S，是双功能烷基化试剂，也是糜烂性化学战剂中最为重要的一种。芥子气制备过程简单，毒性大且持续时间较长，在战争中被数次使用，至今仍然威胁着世界和平和人民生命安全，有着“毒剂之王”之称。然而，芥子气的化学性质决定了其毒性具有广泛性，目前国际上关于其针对性解毒药物的研究进展缓慢，临床救治也多将其视作烧伤处理。因此，深入研究芥子气的毒理作用机制、筛选和开发其对抗特效治疗药物和临床医学干预方案具有重要现实意义，而这些亟需建立可靠的芥子气溯源性检测和毒理学评价方法。长期以来，国内外学者对芥子气毒理作用机制的研究不断深入，并提出了一系列理论。虽然目前仍未得出确切结论，但是各国学者普遍认同芥子气对DNA分子的烷基化损伤是其毒理作用的始发机制以及细胞毒性与生物毒性的物质基础。因此DNA烷基化损伤及修复过程中产生的内源性与外源性标志物可视为芥子气暴露后生物体损伤及恢复情况的有效评价指标。论文采用新兴的分析毒理学相关方法，通过检测芥子气与DNA的烷基化加合物（以下简称SM-DNA加合物）在体内的时效与量效变化趋势，实现对DNA的受损及修复过程的实时监控，从而定量阐述芥子气细胞毒性的物质基础与其毒性之间的相关性。现有文献报道最主要的SM-DNA加合物有以下四种：N7-（2-羟乙基硫代乙基）鸟嘌呤（N7-HETEG），双[2-(N7-鸟嘌呤)]乙硫醚（Bis-G），O6-（2-羟乙基硫代乙基）鸟嘌呤（O6-HETEG），N3（-2-羟乙基硫代乙基）腺嘌呤（N3-HETEA）。这四种SM-DNA加合物的特点各不相同，如N7-HETEG的丰度最高，N3-HETEA是腺嘌呤上唯一烷基化产物，而根据碱基配对原则，Bis-G与O6-HETEG的反应位点可直接破坏DNA双链结构等。因此同时分析这四类加合物就可以全面监测DNA分子的烷基化程度，获得芥子气暴露后DNA的损伤及修复情况，进而为评价救治方案提供可靠技术方法。论文首先建立了同时检测生物体内不同功能组织以及尿液中四种SM-DNA加合物的同位素稀释超高效液相色谱串级质谱（ID-UPLC-MS/MS）分析方法；其次，建立合理的芥子气皮肤染毒的实验动物模型，取其组织器官和尿液；最后，利用建立的分析方法监测SM-DNA加合物在生物体内不同脏器的时效、量效分布，以便全面了解芥子气在生物体内从局部到整体的分布与代谢规律。论文共分六章。第一章为前言，简要介绍了芥子气的相关理化性质，主要阐述其在体内的代谢途径和毒理机制的研究现状，重点介绍芥子气对DNA分子的损伤机理及其后续影响以及SM-DNA加合物的各种检测手段，提出研究目标和研究内容。第二章重点建立了不同脏器中四种SM-DNA加合物的ID-UPLC-MS/MS同时分析测定方法。由于组织中SM-DNA连接在DNA分子上，为结合态加合物，导致样品前处理过程相对复杂。经过一系列的优化过程，该分析方法采用“酶解蛋白—酚氯仿抽提—乙醇沉淀”法提取DNA分子，回收率较高；甲酸加热法水解碱基，利用ID-UPLC-MS/MS进行分析。方法回收率为83-118%，检测限为0.02-0.1ng/mL，定量限为0.05-0.2ng/mL。本章对组织匀浆、DNA提取到碱基水解等全过程进行详细、系统的优化，建立了高效、稳定的检测方法，为下一章各脏器中DNA损伤的研究提供技术支持。第三章建立了不同剂量下SD大鼠芥子气皮肤染毒的动物模型，对心脏、肝脏、脾脏、肺脏、胰脏、肾脏、全脑等主要组织中SM-DNA加合物进行检测，并对其中变化最显著的组织进行了系统的时效、量效关系研究，全面的考察了不同暴露剂量的条件下，芥子气对不同功能的脏器组织中DNA分子的损伤情况及其自身修复的过程。实验结果表明SM-DNA加合物与染毒剂量和时间之间存在良好的量效、时效相关性；第一次系统证实了体内各脏器组织中Bis-G是丰度比例占第二位的DNA加合物（N7-HETEG，62.5-92.0%；Bis-G，7.9-37.0%；N3-HETEA，0.1-2.0%；O6-HETEG<0.1%；），揭示芥子气对DNA的损伤在前期研究中被严重低估；染毒剂量增加时，肺脏所受的损伤更为严重；肝脏可能并不是芥子气损伤的主要器官；发现脂类含量高或被脂肪包裹的组织中SM-DNA加合物含量相对较高，提示我们芥子气可能存在体内“脂肪蓄积”的问题；芥子气可以迅速通过血脑屏障，脑中脂类含量高，更易吸收并储存亲脂性的芥子气原型分子，导致单位DNA形成加合物比例高。第四章单独考察了芥子气对大鼠骨髓组织的损伤。骨髓组织是免疫细胞的产生地，实验将骨髓细胞按功能进行分型，分别观察了芥子气中毒后不同功能骨髓细胞的应答反应，有助于从细胞层面上了解芥子气对免疫系统的影响，并试图以此结果部分解释生物机体的中毒症状。研究结果表明：通过对骨髓细胞中SM-DNA加合物进行检测，发现骨髓中Bis-G不仅丰度高，而且随剂量增加其丰度比例甚至超过50%，成为最主要的DNA加合物，提示芥子气对骨髓中DNA更严重的损伤；芥子气染毒后，大鼠骨髓中单核细胞呈现先剧烈增殖后快速抑制的趋势，其计数变化幅度明显，而粒细胞等多核细胞则缓慢增殖，同时免疫细胞的变化趋势与动物的中毒体征状况具有高度的相关性；相同细胞计数下，单位单核或多核细胞中DNA加合物的含量近似，表明芥子气对单核或多核细胞中DNA的损伤是等同或没有偏好；而单位数量单核细胞中DNA加合物含量未呈现随时间变化的趋势，表明骨髓单核细胞中SM-DNA加合物含量的升高原因主要是由于细胞数量增加，再次证明芥子气烷烃化作用的本质。第五章选取体内代谢的最终载体—尿液作为检测样本，从整体轮廓层面分析SM-DNA的形成-修复-消失全过程，即观察DNA损伤及修复的全身变化过程，与组织中结果相互补充、相互验证。本部分开发了固相萃取新方法，用于尿液中四种SM-DNA加合物的同时提取。优化ID-UPLC-MS/MS方法，回收率达到87-116%，检测限为2-5pg/mL，定量限为5-10pg/mL，实现了对加合物的高灵敏检测。建立了芥子气皮肤染毒的动物模型，并对尿液中SM-DNA加合物进行分析检测。结果显示了良好的时效、量效关系曲线，并且获得了尿液中四种SM-DNA加合物的真实比例关系。从宏观上监测DNA损伤的全身代谢轮廓，与组织中结果进行比较，发现二者在时效关系以及加合物含量关系方面整体趋势相同，可以实现良好的相互验证。由于尿液检测无痛、无损，而且对于SM-DNA的检测可以一定程度的反映机体DNA损伤情况，可作为芥子气溯源分析以及损伤效应监测的理想检测对象。第六章是本论文建立方法的实际应用。我们得到了四名意外接触芥子气患者的尿液，将已建立的固相萃取-ID-UPLC-MS/MS方法应用于其尿液中四种SM-DNA加合物的同时定量检测。检测结果表明尿液中四种SM-DNA均可检出，不仅更进一步确证芥子气染毒，而且发现加合物的含量与患者的暴露程度和临床中毒症状相互吻合。上述结论证明SM-DNA加合物可以作为理想的芥子气溯源性生物标志物。