化学致癌作用毒理学基础.ppt

化学致癌作用化学致癌作用 Chemical CarcinogenesisChemical Carcinogenesis 第一节第一节 化学致癌物及其分类化学致癌物及其分类 一、一、Definitions:Definitions: 化学致癌物 能引起动物和人类肿瘤，增加 其发病率或死亡率的化合物。 化学致癌作用 指化学致癌物在体内引起正 常细胞发生良、恶性肿瘤的过程 二二、按作用机制分类 & 按作用机制分类 遗传毒性致癌物（genotoxic carcinogens ）指进入细胞后与DNA共价结合，引起机体遗 传物质改变，导致癌变发生的化学物质。大 多数化学致癌物 直接致癌物（direct carcinogens） 间接致癌物（indirect carcinogens） 化学致癌物分类 遗传毒性致癌物 直接致癌物（direct carcinogen） 这类化合物进 入机体后，不需体内代谢活化而直接与细胞生物大 分子（DNA，RNA，蛋白质）作用而诱导细胞癌变。 各种致癌性烷化剂和金属致癌物 化学致癌物按作用机制分类 遗传毒性致癌物 间接致癌物（indirect carcinogen） 这类化 合物进入机体后需经细胞内微粒体混合功能氧 化酶代谢活化后才具有致癌性。 多环芳烃类、芳香胺类、亚硝胺类、致癌 性霉菌毒素和某些食物的热裂解产物等 化学致癌物按作用机制分类 前致癌物近致癌物终致癌物 代谢酶代谢酶 前致癌物（precarcinogen）未经代谢活化的间 接致癌物； 近致癌物（proximate carcinogen ）在体内经过 初步代谢转变为化学性质活泼但寿命短暂的 间接致癌物； 终致癌物（ultimate carcinogen） 近致癌物进 一步代谢活化，转变为带正电荷的亲电子物 质，能与DNA发生反应。 非遗传毒性致癌物（nongenotoxic carcinogens ）也称外遗传性致癌物（epigenetic carcinogen ），指不作用于机体遗传物质的化学致癌物。 主要是促进细胞过度增殖。 促癌剂、免疫抑制剂、石棉、激素 化学致癌物按作用机制分类 第二节 化学致癌物的代谢活化 化学致癌物 机体 相反应 （phase reaction） 相反应 （phase reaction） 氧化反应 （oxidation） 还原反应 （reduction） 水解反应 (hydrolysis） 与谷胱甘肽结合 与葡萄糖醛酸结合 与硫酸结合 黄曲霉毒素B1（aflatoxin AFB1） 肝脏代谢 脱甲基、羟化、环氧化反应 羟化代谢产物 与谷胱甘肽、葡萄糖醛酸、硫酸结合 由尿和胆汁排出 环氧化反应产物 终致癌物黄曲霉毒素B1，2，3-环氧化物 可与DNA 脱氧鸟 嘌呤第7位N结合 形成加合物 化学致癌物的代谢活化 Bay region K- region 多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAH） 苯并（a）芘 benzo ( a ) pyrene，BP 代谢 羟化、环氧化反应 羟化代谢 产物与谷胱甘肽结合排出 环氧化反应 主要终致癌物7，8-二醇9，10-环氧苯并（a）芘可与DNA结合 化学致癌物的代谢活化 N-亚硝胺（nitrosamines） 二甲基亚硝胺 （dimethynitrosamine DMA） 代谢 脱甲基、脱亚硝基反应 脱亚硝基代谢 P450催化下生成醛和胺 脱甲基代谢 终致癌物甲基碳宾离子 可使核酸和蛋白质的亲核部位甲基化 化学致癌物的代谢活化 化学致癌物的代谢特点： n以氧化过程为主，形成的终致癌物具有亲电子性， 能与DNA结合，造成DNA损伤，引起突变，诱发肿瘤 n可在多种组织、器官中进行，具有组织器官特异性 ，主要以肝脏为主 n人和动物对化学致癌物的代谢在种属、品系、家族 和个体上的差异与遗传因素决定的代谢酶系的多态性有 关，致癌物代谢酶的活性因人而异，个体间可相差30- 100倍，个别的甚至可以达到1000倍 化学致癌物的代谢活化 w化学致癌物与生物大分子的作用 w细胞程序性死亡与化学致癌 w化学致癌的非遗传机制 w化学致癌的多阶段过程 第三节 化学致癌作用机制 wDNA加合物的形成 n与DNA形成加合物是启动致癌作用的化合物的 一个重要特征 nDNA加合物形成的后果取决于加合物在DNA链 上的位置和加合物的性质 G（鸟嘌呤）-C（胞嘧啶） N1（G） 氢键 N3（C）加合物位于G的O 6位置 N2（G ） 氢键 N1（T） G（鸟嘌呤）-T（胸腺嘧啶）（错配） 化学致癌物与生物大分子的作用 化学致癌作用 / 化学致癌机制 w癌基因、原癌基因与抑癌基因 n癌基因（oncogene） 一类能引起细胞恶性转化及癌变的 基因，是化学致癌物作用的主要靶分子，在细胞癌变过程中起 关键作用。 癌基因激活或过量表达 肿瘤发生 n原癌基因（proto-oncogene） 指机体内正常细胞所具有的 能致癌的遗传信息。 原癌基因突变激活 癌基因 肿瘤发生 n抑癌基因（anti-oncogene） 这类基因的作用方式和癌基因 相反，它们在正常细胞中起着抑制细胞增殖和促进分化的作用 ，又被称为肿瘤抑制基因（tumor suppressor gene） 、肿瘤易感 基因（tumor susceptibility gene）。 抑癌基因纯合缺失或失活 细胞恶性转化 肿 瘤发生 化学致癌机制 / 化学致癌物与生物大分子的作用 wDNA损伤的修复 n正常细胞有DNA修复系统，使受损伤的DNA分子迅 速恢复正常，使细胞的遗传稳定性和正常功能得以保持 而不致发生恶变 n化学致癌物作用于机体能否引发癌症既取决于它们 对体内生物大分子尤其是DNA的损伤，也取决于机体对 损伤DNA的修复能力 nDNA损伤修复缺陷在化学致癌机制中也起重要作用 化学致癌机制 / 化学致癌物与生物大分子的作用 可促进基因型巳发生改变的细胞增生 通过转录与翻译改变基因的表达而起作用，对DNA的初级 序列没有影响 不会造成遗传物质DNA的损伤，但能通过促进细胞的分裂 增殖而诱发肿瘤 n直接作用是指直接刺激细胞分裂的作用 n间接作用是指某些非遗传毒性致癌物，虽然没有直接 刺激细胞分裂增殖的作用，但有明显的细胞毒性，引起细 胞变性坏死，机体细胞再生，从而间接刺激细胞的增殖， 最终导致细胞恶变及癌变 化学致癌的非遗传机制 化学致癌作用 / 化学致癌机制 w细胞凋亡（apoptosis）的概念 一种不同于坏死的细胞死亡方式，即细胞在一定的生理或病 理条件下，遵循自身的程序，通过内部机制的启动，主要通过核 酸内切酶的激活，自己结束其生命过程。 细胞程序性死亡（programmed cell death，PCD） wPCD与肿瘤发生的关系 nPCD可能是消除突变细胞或癌变细胞的途径之一 n启动细胞要发展成可见肿瘤必须改变自身对于PCD的反 应，以便能逃脱这种清除 n任何一种机制若能使经致癌物损伤的细胞更多地存活下 来，都会增加致癌的危险性 细胞凋亡与化学致癌 化学致癌作用 / 化学致癌机制 细胞死亡及细胞增殖-有丝分裂增加与癌 症发生 细胞死亡能引起周围增生，导致有丝 分裂的增加，可能导致分裂中细胞的发生次 级突变从而也可引起癌症。 细胞分裂与调亡紊乱所引起的癌症发生 细胞存活与细胞调亡平衡的破坏。 TCDD 、TPA（组织性纤溶酶原激活剂）、 戊巴比妥等均能抑制细胞的调亡，从而引 起细胞生长、增生、癌症。 细胞信号介导的癌症发生：磷酸脂酶。 DNA的氧化损伤：辐射、脂质过氧化促进 剂、多酚等化学物（氧化应激） w启动阶段/引发阶段 致癌物直接作用于DNA的初级序列，引起基因突变，使单个 细胞或少量细胞发生永久性的、不可逆的遗传性改变，此种细胞 称为“启动细胞”（initiated cell），诱发细胞突变的因素称为启动 剂。 w促进阶段/促长阶段 细胞在致癌作用的第一阶段变成启动细胞后，在某些因素作 用下，以相对于周围正常细胞的选择优势进行克隆扩增，形成镜 下才能观察到的或有时肉眼可见的细胞群，即良性肿瘤，这就是 致癌作用的第二阶段，称为促进阶段，起促进作用的因素称作促 进剂或促癌剂。 化学致癌的多阶段过程 化学致癌作用 / 化学致癌机制 启动剂和促进剂在化学致癌过程中的协同 作用及其后果（啮齿类动物实验模型） w演变阶段/进展阶段 n启动和促进两个阶段所引起的良性损伤并不是致 死性的 n演变过程使原本彼此都一样的肿瘤细胞变成在遗 传表型上是异质的恶性肿瘤细胞 n有些化学致癌物同时具有启动、促进和演变的作 用，称为完全致癌物 化学致癌机制 /化学致癌的多阶段过程 短期试验 动物致癌试验 人类流行病学调查 第四节 观察化学毒物致癌作用的基本方法 w致突变试验 细菌回复突变试验（Ames试验）、染色体畸变试验 、微核试验、姐妹染色单体交换试验（SCE） w细胞恶性转化试验 细胞形态、生长能力、生化等表型改变 移植于动 物体内形成肿瘤的能力 常用叙利亚仓鼠胚胎细胞 小鼠成纤维细胞 皮肤 、器官、肝等器官组织上皮细胞体外培养 短 期 试 验 w转染细胞和转基因动物试验 n转染细胞 将原癌基因或活化癌基因导入细胞，观察致 癌物对细胞生长的影响 将人类的P450基因导入动物来源的缺乏此酶系的 细胞中，形成具有与人相同的对潜在化学致癌物代谢能力的 细胞 n转基因动物 通过增强或抑制某个基因的表达，了解这 个基因的功能 人为地把某个基因及其相关基因组插入或者把某 个基因从基因群中去除，这样得来的新品种称为转基因动物 通过比较转基因动物和正常动物的生理、生化和 病理指标，来确定这个基因的功能 w优点 n人类接触受试物后往往需要20年左右的潜 伏期，动物试验一般进行1-2年可获阳性结果 n能严格控制试验条件，排除流行病学不易 控制的许多混杂因素的影响 w缺点 n动物试验结果外推至人存在不肯定性 动 物 致 癌 试 验 w受试物优先选择短期致癌试验阳性的化学物质 w动物种属的选择，应考虑受试物可能作用的靶器官 n大鼠 肝癌 n小鼠 呼吸道和肺肿瘤 n金黄仓鼠(或称金黄地鼠)、狗或猴 膀胱癌 n靶器官无法估计 大鼠和小鼠 w染毒剂量 应为最大耐受剂量(MTD)或12MTD w试验组 包括空白和溶剂对照 w染毒途径 选用与人类接触相同的方式 w动物应选择自发肿瘤率低并且对致癌作用不应过分敏感 w每剂量组每性别动物不得少于50只 w哺乳动物长期致癌试验 长期试验期限依据不同种属 寿命而定，一般小鼠1.5-2年，大鼠2-2.5年 w转癌基因或前癌基因小鼠 一种有望代替长期动物致 癌的试验系统 n可观察致癌物与基因相互作用以及不同致癌阶段 所起的作用 n这类方法对确认致癌物以及理解致癌机制很有帮 助 n不适于作危险性评估 w啮齿类动物短期致癌试验 n小鼠肺肿瘤诱发试验 n大鼠肝转移灶诱发试验 n小鼠皮肤肿瘤诱发试验 n雌性大鼠乳腺癌的诱发试验 w促癌剂的检查 选用适当的低剂量启动剂，启 动后1-2周开始用受试物染毒 w肿瘤流行病学调查 n以肿瘤的发病率或病死率作为观察终点 n多采用分析流行病学的方法（回顾性定群 调查、病例对照调查的方法） w调查结果为阳性 + 剂量-反应关系 + 得到动物试验的验证 该化合物为人 类致癌物 w调查结果为阴性 不能完全确定受 试物为非致癌物，可能是接触时间短或剂量 低所致 流 行 病 学 调 查 w生物标记物流行病学调查 n内剂量 测定细胞、组织、体液内某些致癌物或其 代谢产物的含量，衡量接触的水平 n生物有效剂量 进入体内的致癌物本身或其代谢产 物与细胞内大分子相互作用的程度 测定致癌物-DNA加合物 / 致癌物-蛋白质加 合物，反映这些物质在体内作用于靶分子的水平 w生物效应标记 反映致癌物对靶器官所造成的可能和肿 瘤形成有关的损伤 n常见的损伤 SCE、微核、染色体畸变、肿瘤基因 突变、癌基因活化等 w敏感性标记 衡量致癌物作用个体差异的指标 n参与致癌物活化与灭活的酶系多态性 n主要有细胞色素P450(I相反应)和谷胱甘肽硫转移酶 (相反应)，这些酶系的个体差异可达十至数百倍，同 样的接触水平所产生的生物有效剂量以及相应的生物效 应会有很大差异，可以从无反应到严重反应(肿瘤形成) w控制致癌物的接触 已明确鉴定的人类致癌物或致癌因素 避免或减少 与之接触 减少肿瘤发生 w高危人群的检出与保护 w化学预防 第五节 阻断化学致癌过程的一些途径 w高危人群的检出与保护 高危个体 n常染色体显性遗传肿瘤(如视网膜母细胞瘤)家族成员杂合子 n常显有高度肿瘤好发倾向的疾病(如家族性肠道多发性息肉)的 杂合子 n常隐有高度肿瘤好发倾向的疾病(如着色性干皮病，共济失调 性毛细血管扩张症，先天性全血细胞减少症，Bloom综合征等)的病人 及其杂合子 n有某些染色体异常的病人(如Down综合征) n某些I相酶(如芳烃羟化酶)活性特别