课件：环境化学癌变.ppt

第八章 化学致癌作用 Chemical Carcinogenesis,1、There are more than 100 types of cancers; any part of the body can be affected. 2、In 2005, 7.6 million people died of cancer - 13% of the 58 million deaths worldwide. 3、More than 70% of all cancer deaths occur in low and middle income countries. 4、Worldwide, the 5 most common types of cancer that kill men are (in order of frequency): lung, stomach, liver, colorectal and oesophagus.,10 facts about cancer,10 facts about cancer,5、Worldwide, the 5 most common types of cancer that kill women are (in the order of frequency): breast, lung, stomach, colorectal and cervical. 6、Tobacco use is the single largest preventable cause of cancer in the world. 7、One fifth of all cancers worldwide are caused by a chronic infection, for example human papillomavirus (HPV) causes cervical cancer and hepatitis B virus (HBV) causes liver cancer.,8、A third of cancers could be cured if detected early and treated adequately. 9、All patients in need of pain relief could be helped if current knowledge about pain control and palliative care were applied. 10、40% of cancer could be prevented, mainly by not using tobacco, having a healthy diet, being physically active and preventing infections that may cause cancer.,10 facts about cancer,Based on projections, cancer deaths will continue to rise with an estimated 9 million people dying from cancer in 2015, and 11.4 million dying in 2030.,The Constitution of Causes of Death (USA，2000),1957、1984、1999、2004年我国城市主要疾病死因构成比及死因顺位,第一节 化学致癌物及其分类,一、Definitions: chemical carcinogen A carcinogen is an agent whose administration to previously untreated animals leads to a statistically significant increased incidence of neoplasms of one or more histogenetic types as compared with the incidence in appropriate untreated animals. 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。,chemical carcinogenesis The induction or enhancement of neoplasia by chemicals. 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。,Measurement of Carcinogenesis ： Frequency of 1 or several types of tumors also seen in the controls Number of tumors compared to controls Development of tumors not seen in controls Occurrence of tumors earlier in time than after exposure in the controls,二、Classifications 按作用结果分类 按作用机制分类,按作用结果分类 国际癌症研究中心（IARC） Group 1：Human Carcinogen：Sufficient evidence in humans （clear casual relationship between exposure and cancer）. Examples：aflatoxin，benzene Group 2： (two classifications): Group 2A： Probable Human Carcinogen ：limited evidence in humans . Examples：PCBs， second-hand smoke（passive smoke） Group 2B： Possible Human Carcinogen ：no evidence in humans but sufficient evidence in animals,化学致癌物分类,Group 3： Not Classifiable as a Carcinogen：limited evidence in animals in the absence of human data. Examples：styrene，urethane. Group 4：Not a Human Carcinogen：negative evidence for carcinogenicity in at least 2 species. Human evidence is usually derived from occupational or accidental exposure. Example：asbestos（miners）.,化学致癌物按作用结果分类（IARC分类）,IARC评价的各类致癌因素的数量变化,化学致癌物按作用结果分类,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： 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 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 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,化学致癌物与生物大分子的作用 细胞程序性死亡与化学致癌 化学致癌的非遗传机制 化学致癌的多阶段过程,第三节 化学致癌作用机制,DNA加合物的形成 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 DNA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O6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,癌基因、原癌基因与抑癌基因 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 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 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,蛋白质加合物的形成 化学致癌物以原形的形式或以代谢产物的形式嵌入到蛋白质分子中，与蛋白质共价结合形成化学致癌物-蛋白质加合物。 蛋白质加合物与化学致癌作用 化学致癌物与蛋白质的结合是其转运所必需的，使致癌物更易接近细胞内的遗传物质。 胞浆蛋白的改变可以影响细胞核内遗传物质的活性； 某些蛋白质，特别是核蛋白在细胞的生长、增殖和分化的调控方面起重要作用。 蛋白质加合物的水平升高与肿瘤发生的危险性增加有一定的联系。,化学致癌机制 / 化学致癌物与生物大分子的作用,2019/8/25,29,可编辑,蛋白质加合物的类型 主要取决于致癌物的化学结构、理化性质、剂量及所结合蛋白的特征、数量及机体状态等因素 活性致癌物与蛋白质之间形成共价键的反应都是亲核反应，发生在致癌物的亲电子中心与蛋白质分子中亲核杂原子（亲核集团）之间 参与形成加合物的蛋白质 血红蛋白 血清白蛋白 组蛋白,化学致癌物与生物大分子的作用 / 蛋白质加合物的形成,DNA-蛋白质交联（DNA-Protein crosslinks，DPC） DNA蛋白质交联的生化特性 正常细胞中存在着一定量的DPC 外来因素直接或间接作用可诱导出超额的DPC DPC的形成可能与染色体环锚于核蛋白基质有关 DPC可在染色体中结构松散的基因组区域优先形成，这些基因正是临近于核基质结合点并具有转录活性的序列,化学致癌机制 / 化学致癌物与生物大分子的作用,DNA-蛋白质交联形成的机制 羟基自由基是引发DPC的重要因素，可见光(有氧条件下)、电离辐射、化学氧化剂均可导致细胞内过多的羟基自由基形成而引发DNA和蛋白分子上的自由基反应，从而导致DPC DPC的形成与细胞内巯基水平降低有关，这可能与巯基被清除引起的巯基自由基升高有关 有些化学物包括一些化学致癌物可直接介导蛋白质的氨基酸残基上的功能基团与DNA分子中的碱基共价结合，间接地诱导DNA损伤和蛋白质氧化而引起DPC,化学致癌物与生物大分子的作用 / DNA-蛋白质交联,DNA-蛋白质交联在化学致癌过程中的作用 DPC一旦形成，就会对DNA的构象与功能产生严重影响 与其他类型的DNA损伤相比，DPC较难修复，在DNA复制过程中，易造成一些重要的基因如抑癌基因等丢失。 DPC与某些外源化合物的致癌性有关。,化学致癌物与生物大分子的作用 / DNA-蛋白质交联,DNA损伤的修复 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 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 DNA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,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） PCD与肿瘤发生的关系 PCD可能是消除突变细胞或癌变细胞的途径之一 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 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,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 直接作用是指直接刺激细胞分裂的作用 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,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。 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）,演变阶段/进展阶段 启动和促进两个阶段所引起的良性损伤并不是致死性的 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 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,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） 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,转染细胞和转基因动物试验 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 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,优点 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 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 缺点 动物试验结果外推至人存在不肯定性,动 物 致 癌 试 验,受试物优先选择短期致癌试验阳性的化学物质 动物种属的选择，应考虑受试物可能作用的靶器官 大鼠 肝癌 小鼠 呼吸道和肺肿瘤 金黄仓鼠(或称金黄地鼠)、狗或猴 膀胱癌 靶器官无法估计 大鼠和小鼠 染毒剂量 应为最大耐受剂量(MTD)或12MTD 试验组 包括空白和溶剂对照 染毒途径 选用与人类接触相同的方式 动物应选择自发肿瘤率低并且对致癌作用不应过分敏感 每剂量组每性别动物不得少于50只,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 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 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 这类方法对确认致癌物以及理解致癌机制很有帮助 不适于作危险性评估,啮齿类动物短期致癌试验 小鼠肺肿瘤诱发试验 大鼠肝转移灶诱发试验 小鼠皮肤肿瘤诱发试验 雌性大鼠乳腺癌的诱发试验 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,肿瘤流行病学调查 以肿瘤的发病率或病死率作为观察终点 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） 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 调查结果为阴性 不能完全确定受试物为非致癌