第八章 外源化学物致癌作用

第八章外源化学物致癌变用及其评价1概述Introduction2DNA损伤修复的效率体细胞突变生殖细胞突变良性肿瘤恶性转化细胞衰老动脉硬化未知疾病癌变老化显性致死隐性致死存活突变出生缺陷基因负荷流产死产先天性疾病分化的胚胎细胞受损未分化的胚胎细胞出生缺陷(流产/死胎)癌变出生缺陷(功能或结构畸形)化学物和遗传危害示意图3死因顺位的改变研究的历史人类癌症相关的环境因素研究的意义：4肿瘤是一类严重影响人类健康和生命的疾病恶性肿瘤已成为人类死亡的第一位或第二位原因，每年全世界约有700万人死于癌症我国恶性肿瘤在各种死因中排列第二位，城市已排列首位562002年789认识化学致癌历史1713年Ramazzini修女乳腺癌---独身的生活方式1775年珀西瓦尔·波特（percivalpott）

早年曾干过扫烟囱活计的男人患上阴囊癌。波特提出了发病与特殊因素或环境有密切关系的癌种。1875年德国褐煤干馏工人中（沥青铀矿），肺癌发病率高101895年

Rehn染料工人膀胱癌----接触芳香胺类化合物1918年山极和市川煤焦油抹兔耳---皮肤癌1919年有人用煤焦油涂抹兔子耳朵，日久诱发出上皮癌认识化学致癌历史11认识化学致癌历史1930年从煤焦油中提炼出特殊致癌成分3-4苯并芘，动物实验可引起皮肤癌、肉瘤等。世界范围内生产合成染料——膀胱癌、皮肤癌和白血病。在手表指针上涂抹发冷光的镭的妇女，因为常常舔刷毛，经诊断患有舌癌。20世纪50年代早期：吸烟人群的肺癌发病率日渐上升，比不抽烟的人群高20至30倍。

12DollandPeto归因于环境因素的癌死亡百分比烟草 30% 污染 2%

酒精 3% 工业产品<1%

饮食 35% 药品和医学处置1%

食品添加剂 <1% 地球物理因素 3%

生殖和性行为7% 感染 10%

职业 4%131、近代肿瘤发病率和死亡率不断增高，发癌年龄年轻化；2、遗传因素和病毒因素与肿瘤有关，但非致肿瘤发病大量增加的主要原因；3、流病调查和动物实验发现环境污染物与肿瘤发病有关。为什么致癌问题引起人们的广泛关注？14据IACR的癌症发病资料，1990年全球每年新发癌症患者总数约为840万，其中发达国家约占46%，发展中国家占54％。恶性肿瘤已成为人类死亡的第一位或第二位原因，每年全世界约有700万人死于癌症。我国恶性肿瘤(2000年)在各种死因中排在第二位，城市已排在首位。15

从21世纪70-90年代，肿瘤死亡率呈明显上升趋势，由83.65/10万上升到108.26/10万，尤其是男性从96.31/l0万上升到134.91/10万，增长达38.60％。全世界新发癌症患者中，中国占有1/5。肿瘤是我国劳动年龄人口尤其是最佳劳动人口的首要死亡原因，在35-59岁年龄人口中，所有年龄组的第一位死因都是肿瘤，只有到了60岁以后脑血管或心血管疾病才上升为第一位死亡原因。16主要致癌因素物理因素如电离辐射。经常接触X射线的医务人员中，白血病、皮肤癌、甲状腺癌的发病率均高于不接触X射线的医务人员。国外388名15岁以下儿童患中枢神经系统肿瘤发病率与其父亲从事电离辐射有关。17主要致癌因素化学因素化学致癌物是一类可以使正常细胞转化为肿瘤细胞，发展为癌的化学物。生物因素

乙型肝炎病毒—肝癌

乳头状瘤病毒—食管癌、人类宫颈癌

EB病毒—鼻咽癌和恶性淋巴瘤

T系淋巴系病毒I型—T细胞白血病淋巴瘤

HIV—多发性人类肿瘤18肿瘤发生过程是宿主与环境之间发生复杂的、动态的相互作用过程重要的宿主因素---遗传构成和健康状况主要的环境因素---食物、环境污染、职

业和生活方式（如吸烟、饮食习惯-四川火锅、槟榔，河南林县人爱食酸菜等）一般估计，80%～90%的人类肿瘤与环境有关，其中主要是化学因素肿瘤是可以预防的!!19➢要降低肿瘤的发生率，首先必须识别、鉴定化学致癌因素和有害的生活方式，阐明其作用机理，然后采取措施加以防治。研究化学致癌作用具有重要的作用20❖化学致癌物(chemicalcarcinogen)

指凡能引起动物和人类肿瘤、增加其发病率或死亡率的化学物。❖化学致癌作用(chemicalcarcinogenesis)

指化学致癌物在体内引起肿瘤的过程。21毒理学中“癌”的概念是广义的，包括：➢上皮细胞的恶性病变（癌）➢间质细胞的恶性病变（肉瘤）➢良性肿瘤恶性肿瘤22肿瘤(tumor,neoplasm)：有分裂潜能的细胞受致癌因素作用后发生恶性转化和克隆性增生所形成的新生物。良性肿瘤：呈膨胀生长，与周围组织有明显的界限，多有包膜，它们生长常有“自限性”，对机体破坏较小。恶性肿瘤：癌和肉瘤。癌(carcinoma)：由上皮细胞来源的恶性肿瘤肉瘤(sarcoma)：由间质细胞来源的恶性肿瘤23❖

致癌物多数具有遗传毒性❖具有遗传毒性的致癌物尽管化学结构和性质不尽相同，但有一共同的特点，即皆为亲电子剂。24第一节化学致癌的机制25致癌作用是复杂的、多阶段、多基因参

与、长期累积的过程，涉及基因表达、细胞生理和生化等多种变化

从本质上说，肿瘤是一种遗传物质改变导致的疾病，即遗传病

大多数环境因素的致癌作用都是通过影响遗传基因起作用的，肿瘤是细胞中多种基因突变累积的结果26➢直接致癌物指本身直接具有致癌作用，在体内不需要经过代谢活化即可致癌的物质。这类物质绝大多数是合成的有机物。包括有内酯类如β-丙烯内酯等；烯化环氧化物如1，2，3，4-丁二烯环氧化物；亚胺类；硫酸酯类；芥子气和氮芥；活性卤代烃类等。与致癌作用有关的代谢27➢间接致癌物指本身并不致癌，必须在体内经代谢转化，其所形成的代谢产物才具有致癌作用的物质。如亚硝胺类，多环芳烃28➢前致癌物(precarcinogens):

本身并不直接致癌，必须在体内经代谢转化才具有致癌作用，尚未代谢活化的形式，即母体化合物。如亚硝胺类，多环芳烃前致癌物近致癌物终致癌物代谢酶代谢酶29➢近致癌物(proximatecarcinogens)

:

指前致癌物经代谢活化过程形成的中间产物，必须进一步代谢活化才具有致癌作用的物质。➢终致癌物:

不需代谢活化的直接致癌物和间接致癌物经过代谢转化最后产生的活性代谢产物的统称。30二、化学致癌作用的分子机制31➢

体细胞突变致癌学说：即造成DNA损伤而引发肿瘤的遗传毒性机制。➢

非突变致癌学说：即对DNA以外靶分子作用的非遗传毒性机制。化学致癌机制分类32（一）DNA加合物有致癌活性的终致癌物，即含有亲电子结构基团的化合物，它能与细胞靶分子发生共价结合，形成加合物使这些生物大分子烷基化，导致DNA的突变。可作为接触环境致癌物的标志33（一）DNA加合物亲电性化合物生物大分子（DNA,RNA,蛋白质的亲核基团）加合物基因突变结构改变肿瘤细胞血液尿等共价结合其数量与致癌性有关34❖DNA加合物在化学致癌作用过程中起到关键作用，是引起肿瘤的直接原因之一支持这一观点的实验依据1.大多数致癌物同时也是致突变物2.许多致癌物的致突变和致癌性质取决于它们是否能转变为亲电子的代谢产物3.DNA加合物的水平通常与致癌性和致突变性成正相关4.DNA和致癌物相互作用可活化肿瘤基因35（二）DNA修复与化学致癌正确修复，使机体内受损的DNA完全回复原有的结构和功能；错误修复，经修复的DNA部分仍可能在结构和功能上有缺陷。36➢正确修复：受损的DNA完全回复原有的结构与功能，不发生突变

➢错误修复：经修复的DNA部分仍可能存在结构和功能上存在缺陷，细胞虽能生存，但出现突变

DNA损伤-----修复-----突变-----肿瘤（二）DNA修复与化学致癌37➢癌基因激活，导致肿瘤的阳性增殖，原癌基因突变为癌基因后通常过度表达➢癌基因的两个等位基因中的单个基因突变可以影响细胞表型➢抑癌基因的产物能阻断肿瘤的细胞生长，抑癌基因突变后丧失其功能➢抑癌基因的两个等位基因都必须失活才能改变细胞的表型（三）癌基因、原癌基因及抑癌基因38在自然或实验条件下具有诱发恶性转化的潜在基因，是化学致癌物作用的主要靶分子，在细胞癌变过程中起着关键作用。实质上是一类被激活的基因，所指导合成的蛋白质能够促成细胞恶性表型的形成。1．癌基因(oncogene)（三）癌基因、原癌基因及抑癌基因39机体内正常细胞所具有的能致癌的遗传信息。正常情况下它呈静止状态，对细胞无害且具有重要生物学功能（调控细胞生长分化，促进细胞分裂、增殖等）。原癌基因在进化过程中高度保守。原癌基因(proto-oncogene)40当发生突变、缺失、病毒整合、染色体易位、基因扩增或促长剂插入时，原癌基因发生改变，失去正常的调控细胞生长和分化功能，使细胞发生恶性转化。发生恶性转化的原癌基因即是癌基因。只有化学、物理或生物等致癌因素作用于细胞后，引起原癌基因突变使之激活，转变成癌基因后才会导致细胞癌变。41癌基因是一大类基因族，通常以原癌基因的形式普遍存在于正常机体基因组内。原癌基因编码的蛋白质在控制细胞生长核分化中起重要作用。42癌基因产物的生物学作用sis,fgf

生长因子met,neu

受体/酪氨酸蛋白激酶src,ret

酪氨酸蛋白激酶ras,gip-2

与膜有关的G蛋白raf,pim-1

胞浆血清蛋白激酶43

它们可从多个环节改变和扰乱细胞正常代谢、生长、分化等基本过程，使这些细胞具备了恶性转化的基础，并在某些促进因素的作用下，加深了转化的进程，逐步演变为恶性肿瘤。44癌基因是化学致癌物作用的靶分子在细胞癌变过程中发挥关键作用指导合成的蛋白质能促成细胞恶性表型的形成

45原癌基因癌基因突变致癌物癌变原癌基因与癌基因关系示意图46正常细胞分裂生长的负性调节因子，其编码的蛋白质能够降低或抑制细胞分裂活性，或称为肿瘤抑制基因(tumorsuppressorgene)、肿瘤易感基因(tumorsusceptibilitygene)。抑癌基因对细胞的生长、增殖和分化起负调节作用，即抑癌作用。2．抑癌基因(anti-oncogene)47抑癌基因正常时可抑制肿瘤细胞的肿瘤性状的表达。当其自身不能表达或其产物去活化才允许肿瘤性状的表达。正常细胞转化为肿瘤细胞最少涉及两类基因的遗传学改变，即癌基因和抑癌基因的改变。48抑癌基因产物的生物学作用NF1GTP酶的活化RB-1,P53

细胞周期-调节核转录因子hMLH1

错配DNA修复结肠癌相关抑癌基因等细胞周期相关的抑癌基因49活化GTP酶或磷酸化酶，阻断癌基因产物（如Ras蛋白或蛋白激酶）的活性和细胞内信号转导而发挥抑癌作用等。抑癌基因产物通过编码转录因子或作为细胞周期调节因子参与调控细胞增殖和分化；参与DNA损伤的修复、复制，保证DNA遗传的稳定性；细胞粘附分子调节细胞凋亡。50抑癌基因失活肿瘤细胞增殖失控➢正常情况抑癌基因具有多种多样的细胞功能，如P53（“分子警察”，在G1期检查DNA损伤点，监测细胞完整性；阻止遗传物质复制，为修复提供时间；启动凋亡程序）遗传毒性致癌物主要通过原癌基因突变从而激活为癌基因或/和抑癌基因突变从而失活引起致癌作用51（四）基因表达调控异常与肿瘤发生

基因学说：癌变是由于基因的改变；

基因外学说：基因表达调控失常；

理论统一52关于化学致癌机制的几种学说1.体细胞致癌假说

它的基本点是恶性肿瘤的形成，起源于一个体细胞的恶变，进一步增殖形成肿瘤组织。理论依据：

1)致癌物质的致突变性2)染色体畸变3)多种肿瘤的单克隆性4)原癌基因突变和抑癌基因突变53化学致癌机制2.致癌物亲电共价结合假说

大多数有机致癌物，未经体内代谢时无致癌性。经体内代谢后，亲电性增强，形成DNA加合物，引起基因突变。3.多基因、多因素参与的多阶段理论

目前大多数人比较公认的化学致癌过程是，一个多基因多因素共同作用的结果。54三、化学致癌过程引发阶段(initiation)；促长阶段(promotion)；进展阶段(progression)551．引发阶段或称启动阶段化学致癌物对靶细胞DNA产生损伤作用，经细胞分裂增殖固定下来，造成单个或少量细胞发生永久性、不可逆的遗传性改变突变细胞（启动细胞，initiatedcell）引发剂（启动剂，initiator）具有引发作用的化学物质。56引发阶段 引发作用的靶，不可逆性。引发剂： 化学物或代谢产物与DNA作用导致体细胞突变成引发细胞。关键环节： 致癌物的代谢、DNA修复和细胞增殖。57促进引发形成肿瘤细胞分裂生长的作用阶段2．促长阶段引发物作用之后，促癌物长期、慢性作用引发物单独作用一般不会引起肿瘤只有促癌物的慢性作用不会引起肿瘤引发物与促长物的作用有先后次序引发作用不可逆，促长在早期可逆具有促长作用的化学物质，为促长剂(promotor)

58促长阶段 早期可逆，晚期不可逆。促长剂： 使引发细胞增殖成为癌前病变或者肿瘤。特点： 细胞增殖59在促进之中或之后，细胞表现出不可逆的遗传学改变，其标志为遗传不稳定性增加和恶性变化，在形态上或功能代谢和行为方面逐渐表现出肿瘤的特征，如生长速度、侵袭性、转移能力及生化、免疫性能改变。3．进展阶段60进展阶段 从引发细胞群转变成恶性肿瘤的过程进展剂： 使促长阶段的细胞进入进展阶段的化学物特点： 核型不稳定61

引发阶段促长阶段进展阶段DNA损伤损伤固定遗传性状改变突变细胞在内、外因素的作用下，促进肿瘤细胞的分裂和增长突变细胞生长速度快侵袭性和转移能力强生化学和免疫性状改变62结肠癌的发生过程正常结肠上皮细胞高度增生早期腺癌中期腺癌晚期腺癌腺癌转移5,12,18,17号染色体发生畸变APC/MAC,K-ras,DCC,P53基因发生突变或缺失。63正常上皮结肠癌的多阶段模型上皮过度增殖早期腺瘤中期腺瘤晚期腺瘤癌症转移引发阶段促长阶段进展阶段64前致癌物终致癌物活化正常细胞致癌物-DNA加合物DNA复制错配修复失败DNA修复细胞死亡细胞含错配碱基引发的细胞分化的细胞不分化的细胞转移促长进展化学致癌过程的主要阶段修复65部分致癌物用目前常用致突变试验不能检出其致突变性。常见的非遗传毒性致癌物：石棉、激素、免疫抑制剂、多氯联苯及TCDD四、非遗传毒性致癌机制66非遗传毒性致癌机制表观遗传学说细胞异常增生免疫抑制细胞间隙连接通讯信号传导系统纺锤丝系统DNA修复系统基因表达调控系统6768第二节化学致癌物的分类69

IARC利用世界各地所发表的可供利用资料，根据对人类和对实验动物致癌性资料，以及在实验系统和人类其他有关的资料，进行综合评价，将环境因子和类别、混合物及暴露环境与人类癌症的关系分为下列四组一、根据致癌物的致癌作用分类70组1，对人类是致癌物，100种；组2，对人类是很可能或可能致癌物组2A，对人类很可能是致癌物，68种；组2B，对人类是可能致癌物，246种；组3，现有证据不能对人类致癌性进行分类，516种；组4，对人类可能是非致癌物，1种。71

级别分类依据Ⅰ确定人类致癌物 动物致癌试验和人类流行病学观察资料充分Ⅱa可能人类致癌物 动物诱癌作用确切，但人类流行病学资料有限Ⅱb可疑人类致癌物 动物诱癌作用资料有限，人类流行病学资料缺乏Ⅲ致癌性不能分类目前资料还不能划归致癌物，也不能否定致癌性Ⅳ非人类致癌物目前资料未见致癌性*也可以根据动物试验结果或只根据人类致癌性资料进行分类。化学物质的人类致癌性分级（IARC)721．遗传毒性致癌物与DNA共价结合，引起机体遗传物质改变，导致癌变的化学物质占化学致癌物的大多数可利用遗传毒理学试验来检测（genotoxiccarcinogens）二、根据致癌物作用机制的分类73

直接致癌物（directcareinogens）在体内不需要经过代谢活化即可致癌；

间接致癌物（indirectcareinogens）在体内经代谢转化，其产物具致癌作用；

无机致癌物：亲电子剂或通过选择性改变DNA复制保真性，导致DNA的改变74依赖活化的前致癌物：多环芳烃、亚硝胺、芳基胺不依赖活化的无机物：镍、镉不依赖活化的有机物：烷化剂1．遗传毒性致癌物752．非遗传毒性致癌物不作用于机体遗传物质的化学致癌物（epigenotoxiccarcinogens）76(1)促长剂本身无致癌性，在给以遗传毒性致癌物之后再给以促长剂可增强遗传毒性致癌物的致癌作用，也可促进“自发性”转化细胞发展成癌。佛波酯(TPA及其衍生物)、苯巴比妥、二丁基羟基甲苯(BHT)、1,8,9-蒽三醇、DDT、Alkanes及胆盐、有机氯农药、糖精等。77(2)内分泌调控剂

(3)免疫抑制剂主要改变内分泌系统平衡及细胞正常分化，常起促长剂作用。如乙烯雌酚、雌二醇、硫脲。主要对病毒诱导的恶性转化起增强作用。如嘌呤同型物。78(4)细胞毒剂可能引起细胞死亡，导致细胞增殖活跃及癌发展。如次氮基三乙酸及氯仿等。(5)过氧化物酶体增殖剂过氧化物酶体增殖可导致细胞内氧自由基过量生成。如祛脂乙酯、邻苯二甲酸乙基己酯。(6)固态物质物理状态是关键性因素，可能涉及细胞毒性。如塑料、石棉等。79➢确定致癌物：指人和动物都有充分、明确的证据，对人有致癌性➢可疑致癌物：仅有个别临床报告，人群流行病学调查中未得到确切肯定的因果关系；或仅在多种动物、特别是与人类血缘相似的灵长目动物致癌试验阳性➢潜在致癌物：指在人群中尚无充分资料说明人有致癌性，有充分的动物致突变资料的化学物质三、根据对人和动物致癌性的其他分类801、烷化剂类：直接：芥子气、甲醛等间接：氯乙烯、苯等2、多环芳烃类：苯并芘、煤焦油、二苯蒽等3、芳香胺类：联苯胺、硝基联苯等4、金属和类金属：砷、镍、铬、镉、硒等5、霉菌和植物毒素类：黄曲霉素、微囊藻毒素根据化学致癌物质化学性质分816、亚硝胺及亚硝酰胺类：7、石棉及SiO28、嗜好品：卷烟、烟草、槟榔、酒类9、药物：包括某些激素、己烯雌酚10、其他：某些植物成分，如蕨菜中的未详物质根据化学致癌物质化学性质分82➢化学致癌物：如香烟烟雾中化学致癌物➢饮食中的污染物：如黄曲霉毒素B1➢

物理因素：如紫外线、石棉、氡➢致病菌和病毒：如幽门螺旋菌、人乳头状瘤病毒、人乙肝和丙肝病毒➢某些生活方式：如吸烟、过度暴露于阳光、过度脂肪摄入等已鉴定的人类主要环境致癌因素833.未分类二恶烷、美舍吡伦

助致癌物（cocarcinogens）：不具有引发和促长作用，但可以促进引发作用和增强促长作用，即能促进或增强全部致癌过程。如乙醇、二氧化硫84第三节观察化学毒物致癌作用的基本方法85化学致癌物的判别

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