氨基甲酸酯与有机磷酸酯的毒性机制比较
作者:胡维国 杜先林 朱明学
单位:胡维国、朱明学 200433 上海,第二军医大学海医系防化医学教研室杜先林 军事医学科学院毒物药物研究所
关键词:氨基甲酸酯;有机磷酸酯;乙酰胆碱酯酶(AChE);毒性机制
中华劳动卫生职业病杂志980601 【摘要】 目的 比较氨基甲酸酯与有机磷酸酯抑制乙酰胆碱酯酶(AChE)活力的毒性机制。方法以小鼠红细胞AChE为酶源,吡啶斯的明、毒扁豆碱与沙林为酶抑制剂,2-PAM*Cl为中毒酶重活化剂,改进的微量DTNB法测定酶活力。通过交叉抑制实验,比较中毒酶的重活化率。结果 吡啶斯的明与沙林交叉抑制后中毒酶的重活化率(8.0%与10.5%,45.1%与47.3%)比较、毒扁豆碱与沙林交叉抑制后中毒酶的重活化率(-7.0%与-9.9%,40.6%与46.7%)比较,均未具明显差异。结论 推测氨基甲酸酯与有机磷酸酯抑制AChE作用于同一部位,即酶活性中心的丝氨酸羟基上。
, 百拇医药
Comparison of toxicological mechanism between carbamate and organophosphate
Hu Weiguo*,Du Xianlin,Zhu Mingxue.*
Department of Chemical Defence,Faculty of Naval Medicine,The Second Military Medical University,Shanghai,200433
【Abstract】Objective To study the differences between the toxicological mechanisms of inhibiting AChE by carbamate and organophosphate. Method Mice erythrocyte AChE was used as object,pyridostigmine,physostigmine and sarin as inhibitors,2-PAM*C1 as reactivator.An improved micro-DTNB method was used to determine AChE activity,and the reactivation rates of inhibited-AChE were measured with cross-inhibition experiments. Results The reactivation rates of pyridostigmine-inhibited AChE and sarin-cross-inhibited AChE were 8.0% and 0.5% respectively (P>0.05);Those of sarin-inhibited AChE and pyridostigmine-cross-inhibited AChE were 45.1% and 47.3% respectively (P>0.05).The reactivation rates of physostigmine-inhibited AChE and sarin-cross-inhibited AChE were -7.0% and -9.9% respectively (P>0.05);Those of sarin-inhibited AChE and physostigmine-cross-inhibited AChE were 40.6% and 46.7% respectively (P>0.05).They indicated that there were no significant differences between reactivation rates of two inhibited-AChEs statistically. Conclusion Carbamates might work at the same target site as organophosphate,e.g.the hydroxyl moiety of serine in active site of AChE.
, 百拇医药
【Key words】Carbamate Organophosphate Acetylcholinesterase(AChE) Toxicological mechanism
氨基甲酸酯类与有机磷酸酯类化合物类似,对乙酰胆碱酯酶(AChE)的抑制作用是其主要的毒作用机制[1]:使AChE失去正常生理活性,使乙酰胆碱(ACh)大量蓄积于乙酰胆碱受体(AChR)及效应器周围,引起一系列胆碱能症状,导致机体中毒[2]。有机磷酸酯抑制AChE的作用部位是酶活性中心酯解部位的丝氨酸羟基,但氨基甲酸酯抑制AChE的作用部位是否与有机磷酸酯完全一致,尚不明确[3,4]。我们利用“竞争性交叉抑制法”,比较了氨基甲酸酯与有机磷酸酯抑制AChE的作用部位。
材料与方法
1.器材:96孔培养板(美国Corning公司),恒温水浴箱(上海医疗器材厂),微量多道滴定扫描仪(Titertek Multiskam),高速台式离心机(上海安亭医用仪器厂),冰冻离心机。
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2.酶源:健康成年昆明种小鼠(18~22 g),摘眼球取血,加肝素化生理盐水,用冰冻离心机3 000 r/min离心10分钟,去上清,以pH7.4的等渗磷酸盐缓冲液洗涤红细胞3次,以pH7.4的等渗磷酸盐缓冲液稀释成1∶3(V/V)红细胞悬液,4℃冰箱冷藏。
3.试剂:氯磷定、溴化吡啶斯的明、毒扁豆碱、沙林由军事医学科学院毒物药物研究所合成,其余试剂为市售分析纯试剂。
4.实验方法:对测定AChE活力的微量DTNB法[5]进行改进,采用非溶血方法,并缩短酶反应时间为10分钟。
1∶3(V/V)小鼠红细胞悬液,酶抑制剂的浓度为6.3×10-8 mol/L的沙林、10-4 mol/L的吡啶斯的明、10-5 mol/L的毒扁豆碱(可抑制100%酶活力)。反应温度为37℃。实验分4组:(1)先用有机磷酸酯(沙林)抑制10分钟,再加氨基甲酸酯(吡啶斯的明或毒扁豆碱)抑制30分钟;(2)先用氨基甲酸酯抑制30分钟,再用有机磷酸酯抑制10分钟;(3)单独有机磷酸酯抑制10分钟;(4)单独氨基甲酸酯抑制30分钟。以3 000 r/min离心1分钟去除残余毒剂后,加入0.1 mmol/L 2-PAM重活化30分钟,按微量DTNB法测定各组酶活力。
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通过洗涤红细胞去除肟类药物,使其对底物的直接分解作用[6]以及对AChE的抑制作用均可减少至忽略不计的程度,因此不必设药物对照管来校正药物重活化管的酶活力。
实验设正常酶活力对照管(E)、毒物抑制对照管(EI)及药物重活化管(EIR)。实验均设双管,重复3次,取平均值。酶活力抑制率和重活化率按下式计算:
结果
1.吡啶斯的明与沙林对AChE的作用部位比较:2-PAM*Cl对沙林中毒酶的重活化效果较好,对吡啶斯的明中毒酶的效果则明显较差。2-PAM*Cl可作为吡啶斯的明、沙林交叉抑制法的中毒酶鉴别剂。先用沙林完全抑制AChE后再加吡啶斯的明,或先用吡啶斯的明完全抑制AChE后再加沙林。AChE的抑制率、药物重活化率的差异均无显著意义,见表1。
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2.毒扁豆碱与沙林对AChE的作用部位比较:实验结果显示,2-PAM*Cl对毒扁豆碱中毒酶的自动重活化过程有一定程度的抑制作用,表现为重活化率小于零,而对沙林中毒酶则有明显的重活化作用。因此,2-PAM*Cl也可作为毒扁豆碱、沙林交叉抑制法的中毒酶鉴别剂。交叉抑制法的结果表明:AChE的抑制率、药物重活化率没有显示出明显的变化,见表2。
表1 吡啶斯的明与沙林交叉抑制AChE后2-PAM*Cl的重活化作用(n=3,±s)
Table 1 Reactivition with 2-PAM*Cl of AChE cross-inhibited
by pyridostigmine and sarin(n=3,±s) 乙酰胆碱酯酶抑制剂
, 百拇医药
AChE inhibitors
无重活化剂管抑制率(%)
Inhibition rate of
non-reactivitor tube(%)
重活化剂管抑制率(%)
Inhibition rate of
reactivitor tube(%)
重活化率(%)
Reactivition rate(%)
沙林+吡啶斯的明 Sarin+pyridostigmine
, 百拇医药
99.3±1.3
54.3±4.7
45.1±4.5a
吡啶斯的明+沙林 Pyridostigmine+sarin
81.8±4.0
77.1±4.7
8.0±3.1b
沙林 Sarin
99.8±0.3
52.6±5.5
47.3±5.7c吡啶斯的明 Pyridostigmine
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75.6±4.0
67.8±8.1
10.5±5.8d
c与d、c与b、a与b、a与d比较,P<0.01 c vs.d, cvs.b, avs.b, and a vs.d, P<0.01表2 毒扁豆碱与沙林交叉抑制AChE后2-PAM*Cl的重活化作用(n=3,±s)
Table 2 Reactivition with 2-PAM*Cl of AChE cross-inhibited
by physostigmine and sarin(n=3,±s) 乙酰胆碱酯酶抑制剂
, 百拇医药
AChE inhibitors
无重活化剂管抑制率(%)
Inhibition rate of
non-reactivitor tube(%)
重活化剂管抑制率(%)
Inhibition rate of
reactivitor tube(%)
重活化率(%)
Reactivition rate(%)
沙林+毒扁豆碱 Sarin+hysostigmine
, 百拇医药
99.0±1.7
56.2±7.8
46.0±10.9a
毒扁豆碱+沙林 Physostigmine+sarin
53.0±2.6
56.8±7.5
-7.0±11.5b
沙林 sarin
99.6±0.8
53.1±4.6
46.7±4.8c毒扁豆碱 Physostigmine
, 百拇医药
52.9±5.4
58.0±7.5
-9.9±11.6d
c与d、c与b、a与b、a与d比较,P<0.01 c vs.d, cvs.b, avs.b,and a vs.d, P<0.01讨论
胆碱酯酶(ChE)的活性中心只占酶蛋白分子的一小部分,它是由负性部位和酯解部位以及它们附近的疏水区构成的。AChE对乙酰胆碱水解的催化过程主要在酯解部位进行,而酯解部位又以丝氨酸的羟基为中心。目前的研究结果表明:有机磷酸酯主要通过与AChE活性中心酯解部位的丝氨酸羟基结合而抑制酶活力,但氨基甲酸酯的作用部位是否完全与其一致,并没有明确的报道。本实验通过交叉抑制法对此进行了比较。如果氨基甲酸酯与有机磷酸酯抑制AChE作用在同一部位,当一种抑制剂占据了AChE的功能部位(酯解部位的丝氨酸羟基)后,再加入另一种抑制剂交叉抑制,将不能再与AChE的这一部位结合,即不引起中毒酶重活化率的变化;反之,若抑制剂抑制AChE作用部位不同,当两种抑制剂交叉抑制时,另一种抑制剂可以再与AChE的功能部位结合。
, http://www.100md.com
由于2-PAM*Cl易重活化沙林磷酰化酶[7],而对氨基甲酰化酶则无明显的重活化作用[8],故选择2-PAM*Cl来鉴别磷酰化酶与氨基甲酰化酶。从结果可以看出:当沙林完全占据了AChE的功能部位(酶抑制率达100%)后,再加入吡啶斯的明或毒扁豆碱时,并没有引起磷酰化酶重活化率的变化,说明吡啶斯的明与毒扁豆碱没有再与酶功能部位结合,氨基甲酸酯抑制作用部位在有机磷酸酯的作用部位范围之内;同样,当吡啶斯的明或毒扁豆碱完全占据了AChE的功能部位(由于氨基甲酰化酶的自动重活化,酶抑制率小于100%)后,再加入沙林,也没有引起氨基甲酰化酶抑制率及重活化率的变化,说明沙林没有再与酶活性部位结合,有机磷酸酯抑制作用部位在氨基甲酸酯的作用部位范围之内。因此,可以判断吡啶斯的明、毒扁豆碱抑制AChE的作用部位与沙林是一致的,即均作用于酶解部位的丝氨酸羟基。这为研究氨基甲酸酯抑制AChE的进一步作用机制以及肟类药物对氨基甲酰化酶的作用提供了理论依据。
参考文献
, 百拇医药
1.Machemer LH,Pickel M.Carbamte insecticide.Toxicol,1994,91:29~36.
2.Bardin PG,Van Eeden SF,Moolman JA,et al.Organophosphate and carbamate poisoning.Arch Intern Med,1994,154:1433~1441.
3.Lotti M.Treatment of acute organophosphate poisoning.Med J Aust,1991,154:51~55.
4.Green AL.The protection of primates against soman poisoning by pretreatment with pyridostigmine.Biochem Pharmacal,1983,32:1717~1720.
, http://www.100md.com
5.董立春.微量DTNB法测定胆碱酯酶活力.军事医学科学院院刊,1987,11:480~483.
6.Bagirathy N.The effect of pralidoxime chloride in the assay of acetylcholinesterase using 5,5'-dithio-bis(2-nitrobenzoic acid)(Ellman's reagent).J Analyt Toxicol,1992,16:192~193.
7.Dawson RM.Review of oximes available for treatment of nerve agent poisoning.J Appl Toxicol,1994,14:317~331.
8.Harris LW,Talbot BG,Andersen DR,et al.Oxime-induced decarbamylation and atropine/oxime therapy of guinea pigs intoxicated with pyridostigmine.Life Sci,1987,40:517~583.
收稿:1998-03-27
修回:1998-06-08, 百拇医药
单位:胡维国、朱明学 200433 上海,第二军医大学海医系防化医学教研室杜先林 军事医学科学院毒物药物研究所
关键词:氨基甲酸酯;有机磷酸酯;乙酰胆碱酯酶(AChE);毒性机制
中华劳动卫生职业病杂志980601 【摘要】 目的 比较氨基甲酸酯与有机磷酸酯抑制乙酰胆碱酯酶(AChE)活力的毒性机制。方法以小鼠红细胞AChE为酶源,吡啶斯的明、毒扁豆碱与沙林为酶抑制剂,2-PAM*Cl为中毒酶重活化剂,改进的微量DTNB法测定酶活力。通过交叉抑制实验,比较中毒酶的重活化率。结果 吡啶斯的明与沙林交叉抑制后中毒酶的重活化率(8.0%与10.5%,45.1%与47.3%)比较、毒扁豆碱与沙林交叉抑制后中毒酶的重活化率(-7.0%与-9.9%,40.6%与46.7%)比较,均未具明显差异。结论 推测氨基甲酸酯与有机磷酸酯抑制AChE作用于同一部位,即酶活性中心的丝氨酸羟基上。
, 百拇医药
Comparison of toxicological mechanism between carbamate and organophosphate
Hu Weiguo*,Du Xianlin,Zhu Mingxue.*
Department of Chemical Defence,Faculty of Naval Medicine,The Second Military Medical University,Shanghai,200433
【Abstract】Objective To study the differences between the toxicological mechanisms of inhibiting AChE by carbamate and organophosphate. Method Mice erythrocyte AChE was used as object,pyridostigmine,physostigmine and sarin as inhibitors,2-PAM*C1 as reactivator.An improved micro-DTNB method was used to determine AChE activity,and the reactivation rates of inhibited-AChE were measured with cross-inhibition experiments. Results The reactivation rates of pyridostigmine-inhibited AChE and sarin-cross-inhibited AChE were 8.0% and 0.5% respectively (P>0.05);Those of sarin-inhibited AChE and pyridostigmine-cross-inhibited AChE were 45.1% and 47.3% respectively (P>0.05).The reactivation rates of physostigmine-inhibited AChE and sarin-cross-inhibited AChE were -7.0% and -9.9% respectively (P>0.05);Those of sarin-inhibited AChE and physostigmine-cross-inhibited AChE were 40.6% and 46.7% respectively (P>0.05).They indicated that there were no significant differences between reactivation rates of two inhibited-AChEs statistically. Conclusion Carbamates might work at the same target site as organophosphate,e.g.the hydroxyl moiety of serine in active site of AChE.
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【Key words】Carbamate Organophosphate Acetylcholinesterase(AChE) Toxicological mechanism
氨基甲酸酯类与有机磷酸酯类化合物类似,对乙酰胆碱酯酶(AChE)的抑制作用是其主要的毒作用机制[1]:使AChE失去正常生理活性,使乙酰胆碱(ACh)大量蓄积于乙酰胆碱受体(AChR)及效应器周围,引起一系列胆碱能症状,导致机体中毒[2]。有机磷酸酯抑制AChE的作用部位是酶活性中心酯解部位的丝氨酸羟基,但氨基甲酸酯抑制AChE的作用部位是否与有机磷酸酯完全一致,尚不明确[3,4]。我们利用“竞争性交叉抑制法”,比较了氨基甲酸酯与有机磷酸酯抑制AChE的作用部位。
材料与方法
1.器材:96孔培养板(美国Corning公司),恒温水浴箱(上海医疗器材厂),微量多道滴定扫描仪(Titertek Multiskam),高速台式离心机(上海安亭医用仪器厂),冰冻离心机。
, http://www.100md.com
2.酶源:健康成年昆明种小鼠(18~22 g),摘眼球取血,加肝素化生理盐水,用冰冻离心机3 000 r/min离心10分钟,去上清,以pH7.4的等渗磷酸盐缓冲液洗涤红细胞3次,以pH7.4的等渗磷酸盐缓冲液稀释成1∶3(V/V)红细胞悬液,4℃冰箱冷藏。
3.试剂:氯磷定、溴化吡啶斯的明、毒扁豆碱、沙林由军事医学科学院毒物药物研究所合成,其余试剂为市售分析纯试剂。
4.实验方法:对测定AChE活力的微量DTNB法[5]进行改进,采用非溶血方法,并缩短酶反应时间为10分钟。
1∶3(V/V)小鼠红细胞悬液,酶抑制剂的浓度为6.3×10-8 mol/L的沙林、10-4 mol/L的吡啶斯的明、10-5 mol/L的毒扁豆碱(可抑制100%酶活力)。反应温度为37℃。实验分4组:(1)先用有机磷酸酯(沙林)抑制10分钟,再加氨基甲酸酯(吡啶斯的明或毒扁豆碱)抑制30分钟;(2)先用氨基甲酸酯抑制30分钟,再用有机磷酸酯抑制10分钟;(3)单独有机磷酸酯抑制10分钟;(4)单独氨基甲酸酯抑制30分钟。以3 000 r/min离心1分钟去除残余毒剂后,加入0.1 mmol/L 2-PAM重活化30分钟,按微量DTNB法测定各组酶活力。
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通过洗涤红细胞去除肟类药物,使其对底物的直接分解作用[6]以及对AChE的抑制作用均可减少至忽略不计的程度,因此不必设药物对照管来校正药物重活化管的酶活力。
实验设正常酶活力对照管(E)、毒物抑制对照管(EI)及药物重活化管(EIR)。实验均设双管,重复3次,取平均值。酶活力抑制率和重活化率按下式计算:
结果
1.吡啶斯的明与沙林对AChE的作用部位比较:2-PAM*Cl对沙林中毒酶的重活化效果较好,对吡啶斯的明中毒酶的效果则明显较差。2-PAM*Cl可作为吡啶斯的明、沙林交叉抑制法的中毒酶鉴别剂。先用沙林完全抑制AChE后再加吡啶斯的明,或先用吡啶斯的明完全抑制AChE后再加沙林。AChE的抑制率、药物重活化率的差异均无显著意义,见表1。
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2.毒扁豆碱与沙林对AChE的作用部位比较:实验结果显示,2-PAM*Cl对毒扁豆碱中毒酶的自动重活化过程有一定程度的抑制作用,表现为重活化率小于零,而对沙林中毒酶则有明显的重活化作用。因此,2-PAM*Cl也可作为毒扁豆碱、沙林交叉抑制法的中毒酶鉴别剂。交叉抑制法的结果表明:AChE的抑制率、药物重活化率没有显示出明显的变化,见表2。
表1 吡啶斯的明与沙林交叉抑制AChE后2-PAM*Cl的重活化作用(n=3,±s)
Table 1 Reactivition with 2-PAM*Cl of AChE cross-inhibited
by pyridostigmine and sarin(n=3,±s) 乙酰胆碱酯酶抑制剂
, 百拇医药
AChE inhibitors
无重活化剂管抑制率(%)
Inhibition rate of
non-reactivitor tube(%)
重活化剂管抑制率(%)
Inhibition rate of
reactivitor tube(%)
重活化率(%)
Reactivition rate(%)
沙林+吡啶斯的明 Sarin+pyridostigmine
, 百拇医药
99.3±1.3
54.3±4.7
45.1±4.5a
吡啶斯的明+沙林 Pyridostigmine+sarin
81.8±4.0
77.1±4.7
8.0±3.1b
沙林 Sarin
99.8±0.3
52.6±5.5
47.3±5.7c吡啶斯的明 Pyridostigmine
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75.6±4.0
67.8±8.1
10.5±5.8d
c与d、c与b、a与b、a与d比较,P<0.01 c vs.d, cvs.b, avs.b, and a vs.d, P<0.01表2 毒扁豆碱与沙林交叉抑制AChE后2-PAM*Cl的重活化作用(n=3,±s)
Table 2 Reactivition with 2-PAM*Cl of AChE cross-inhibited
by physostigmine and sarin(n=3,±s) 乙酰胆碱酯酶抑制剂
, 百拇医药
AChE inhibitors
无重活化剂管抑制率(%)
Inhibition rate of
non-reactivitor tube(%)
重活化剂管抑制率(%)
Inhibition rate of
reactivitor tube(%)
重活化率(%)
Reactivition rate(%)
沙林+毒扁豆碱 Sarin+hysostigmine
, 百拇医药
99.0±1.7
56.2±7.8
46.0±10.9a
毒扁豆碱+沙林 Physostigmine+sarin
53.0±2.6
56.8±7.5
-7.0±11.5b
沙林 sarin
99.6±0.8
53.1±4.6
46.7±4.8c毒扁豆碱 Physostigmine
, 百拇医药
52.9±5.4
58.0±7.5
-9.9±11.6d
c与d、c与b、a与b、a与d比较,P<0.01 c vs.d, cvs.b, avs.b,and a vs.d, P<0.01讨论
胆碱酯酶(ChE)的活性中心只占酶蛋白分子的一小部分,它是由负性部位和酯解部位以及它们附近的疏水区构成的。AChE对乙酰胆碱水解的催化过程主要在酯解部位进行,而酯解部位又以丝氨酸的羟基为中心。目前的研究结果表明:有机磷酸酯主要通过与AChE活性中心酯解部位的丝氨酸羟基结合而抑制酶活力,但氨基甲酸酯的作用部位是否完全与其一致,并没有明确的报道。本实验通过交叉抑制法对此进行了比较。如果氨基甲酸酯与有机磷酸酯抑制AChE作用在同一部位,当一种抑制剂占据了AChE的功能部位(酯解部位的丝氨酸羟基)后,再加入另一种抑制剂交叉抑制,将不能再与AChE的这一部位结合,即不引起中毒酶重活化率的变化;反之,若抑制剂抑制AChE作用部位不同,当两种抑制剂交叉抑制时,另一种抑制剂可以再与AChE的功能部位结合。
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由于2-PAM*Cl易重活化沙林磷酰化酶[7],而对氨基甲酰化酶则无明显的重活化作用[8],故选择2-PAM*Cl来鉴别磷酰化酶与氨基甲酰化酶。从结果可以看出:当沙林完全占据了AChE的功能部位(酶抑制率达100%)后,再加入吡啶斯的明或毒扁豆碱时,并没有引起磷酰化酶重活化率的变化,说明吡啶斯的明与毒扁豆碱没有再与酶功能部位结合,氨基甲酸酯抑制作用部位在有机磷酸酯的作用部位范围之内;同样,当吡啶斯的明或毒扁豆碱完全占据了AChE的功能部位(由于氨基甲酰化酶的自动重活化,酶抑制率小于100%)后,再加入沙林,也没有引起氨基甲酰化酶抑制率及重活化率的变化,说明沙林没有再与酶活性部位结合,有机磷酸酯抑制作用部位在氨基甲酸酯的作用部位范围之内。因此,可以判断吡啶斯的明、毒扁豆碱抑制AChE的作用部位与沙林是一致的,即均作用于酶解部位的丝氨酸羟基。这为研究氨基甲酸酯抑制AChE的进一步作用机制以及肟类药物对氨基甲酰化酶的作用提供了理论依据。
参考文献
, 百拇医药
1.Machemer LH,Pickel M.Carbamte insecticide.Toxicol,1994,91:29~36.
2.Bardin PG,Van Eeden SF,Moolman JA,et al.Organophosphate and carbamate poisoning.Arch Intern Med,1994,154:1433~1441.
3.Lotti M.Treatment of acute organophosphate poisoning.Med J Aust,1991,154:51~55.
4.Green AL.The protection of primates against soman poisoning by pretreatment with pyridostigmine.Biochem Pharmacal,1983,32:1717~1720.
, http://www.100md.com
5.董立春.微量DTNB法测定胆碱酯酶活力.军事医学科学院院刊,1987,11:480~483.
6.Bagirathy N.The effect of pralidoxime chloride in the assay of acetylcholinesterase using 5,5'-dithio-bis(2-nitrobenzoic acid)(Ellman's reagent).J Analyt Toxicol,1992,16:192~193.
7.Dawson RM.Review of oximes available for treatment of nerve agent poisoning.J Appl Toxicol,1994,14:317~331.
8.Harris LW,Talbot BG,Andersen DR,et al.Oxime-induced decarbamylation and atropine/oxime therapy of guinea pigs intoxicated with pyridostigmine.Life Sci,1987,40:517~583.
收稿:1998-03-27
修回:1998-06-08, 百拇医药