第八章化学致癌作用-毒理学基础

第八章化学致癌作用ChemicalCarcinogenesis 1 Therearemorethan100typesofcancers anypartofthebodycanbeaffected 2 In2005 7 6millionpeoplediedofcancer 13 ofthe58milliondeathsworldwide 3 Morethan70 ofallcancerdeathsoccurinlowandmiddleincomecountries 4 Worldwide the5mostcommontypesofcancerthatkillmenare inorderoffrequency lung stomach liver colorectalandoesophagus 10factsaboutcancer 10factsaboutcancer 5 Worldwide the5mostcommontypesofcancerthatkillwomenare intheorderoffrequency breast lung stomach colorectalandcervical 6 Tobaccouseisthesinglelargestpreventablecauseofcancerintheworld 7 Onefifthofallcancersworldwidearecausedbyachronicinfection forexamplehumanpapillomavirus HPV causescervicalcancerandhepatitisBvirus HBV causeslivercancer 8 Athirdofcancerscouldbecuredifdetectedearlyandtreatedadequately 9 Allpatientsinneedofpainreliefcouldbehelpedifcurrentknowledgeaboutpaincontrolandpalliativecarewereapplied 10 40 ofcancercouldbeprevented mainlybynotusingtobacco havingahealthydiet beingphysicallyactiveandpreventinginfectionsthatmaycausecancer 10factsaboutcancer Basedonprojections cancerdeathswillcontinuetorisewithanestimated9millionpeopledyingfromcancerin2015 and11 4milliondyingin2030 TheConstitutionofCausesofDeath 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 chemicalcarcinogenAcarcinogenisanagentwhoseadministrationtopreviouslyuntreatedanimalsleadstoastatisticallysignificantincreasedincidenceofneoplasmsofoneormorehistogenetictypesascomparedwiththeincidenceinappropriateuntreatedanimals 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 chemicalcarcinogenesisTheinductionorenhancementofneoplasiabychemicals 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 MeasurementofCarcinogenesis Frequencyof1orseveraltypesoftumorsalsoseeninthecontrolsNumberoftumorscomparedtocontrolsDevelopmentoftumorsnotseenincontrolsOccurrenceoftumorsearlierintimethanafterexposureinthecontrols 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 Group1 HumanCarcinogen Sufficientevidenceinhumans clearcasualrelationshipbetweenexposureandcancer Examples aflatoxin benzeneGroup2 twoclassifications Group2A ProbableHumanCarcinogen limitedevidenceinhumans Examples PCBs second handsmoke passivesmoke Group2B PossibleHumanCarcinogen noevidenceinhumansbutsufficientevidenceinanimals 化学致癌物分类 Group3 NotClassifiableasaCarcinogen limitedevidenceinanimalsintheabsenceofhumandata Examples styrene urethane Group4 NotaHumanCarcinogen negativeevidenceforcarcinogenicityinatleast2species Humanevidenceisusuallyderivedfromoccupationaloraccidentalexposure 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 genotoxiccarcinogens 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 directcarcinogens 间接致癌物 indirectcarcinogens 化学致癌物分类 遗传毒性致癌物直接致癌物 directcarcinogen 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 indirectcarcinogen 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 proximatecarcinogen 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 ultimatecarcinogen 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 nongenotoxiccarcinogens 也称外遗传性致癌物 epigeneticcarcinogen 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 aflatoxinAFB1 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 Bayregion K region 多环芳烃 polycyclicaromatichydrocarbons 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 dimethynitrosamineDMA 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 tumorsuppressorgene 肿瘤易感基因 tumorsusceptibilitygene 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 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 Proteincrosslinks 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DPCDPC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DPCDPC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 programmedcelldeath 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 initiatedcell 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1 2MTD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