化学物致癌作用(预防)

1、第八章 外源化学物致癌作用,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,分为良性和恶性两大类。,恶性肿瘤： 癌（carcinoma） :上皮细胞来源的恶性肿瘤称为癌；如胃癌、肝癌、肺癌、乳腺癌等。 肉瘤（sarcoma） :由间质细胞来源的恶性肿瘤称为肉瘤；如平滑肌肉瘤、脂肪肉瘤、血管肉瘤等。 癌包括良性和恶性肿瘤的总称。,不死性， 迁移性 失去接触抑制,生理特征,细胞周期失控 具有迁移性 接触抑制丧失 定着依赖性丧失 去分化现象 对生长因子需要量降低，代谢旺盛 蛋白质合成及分解代谢都增强 线粒体功能障碍,化学致癌物（chem

2、ical carcinogen） 指凡能引起动物和人类肿瘤、增加其发病率或死亡率的化合物。例如，黄曲霉毒素，苯并（a）芘及苯等。,化学致癌作用（chemical carcinigenesis）: 指化学致癌物在体内引起肿瘤的过程。,第一节 化学致癌物,一、根据致癌物对人类和动物的 致癌作用分类 确证致癌物 嫌疑致癌物 可能致癌物 非致癌物,分类依据：,1. 人群的流行病学调查 2. 动物试验证据要求： 包括短期遗传毒性筛选、短期致癌试验和长期致癌试验，在不同种属动物中所得结果一致，同时对实验室要求符合GLP(good laboratory practice) 和 SOP (standard o

3、peration procedure)。,确证致癌物 （proved carcinogens, recognized carcinogens）： 亦可称为确认致癌物。此类化学物利用流行病学方法进行人群调查和动物试验中，都已明确具有致癌作用。,2. 嫌疑致癌物（suspected carcinogens）： 亦可称为怀疑致癌物，指仅有个别在人类致癌的临床报告，但在人群调查中不能充分证实其致癌作用，或仅在多种动物，特别是与人类血缘较近的灵长目动物致癌的化学物。也就是说，这类化学物极有致癌嫌疑，但尚不能确证对人类有致癌作用。,3. 可能致癌物 （potential carcinogens）： 亦可称

4、为潜在致癌物。是指在动物试验中具有致癌作用，但尚无任何资料表明对人类具有致癌作用，即仅有致癌可能的化学物。,4. 非致癌物（non-carcinogens）： 按目前的试验结果，未有致癌性的物质。,已知的人类致癌物,黄曲霉毒素 （肝、肺） 苯 （造血系统） 石棉 （肺、胸膜） （第四版P148 表83） （第五版p170 表82）,二、依据化学致癌物在机体内作用的情况分类,1.直接致癌物和间接致癌物 直接致癌物（direct carcinogens）：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。例如，各种烷化剂，其大多为亲电子反应物。 间接致癌物（indirect carcinog

5、ens）：本身并不直接致癌，必须在体内经代谢转化，其所形成的代谢产物才具致癌作用。例如，多环芳烃、芳香胺类化合物等，大约95的化学致癌物属于此类。,2.终致癌物、前致癌物和近致癌物,终致癌物（ultimate carcinogens）指不需代谢活化的直接致癌物和间接致癌物经代谢活化所形成的具有致癌作用的代谢物的统称。,前致癌物（precarcinogens, procarcinogens）：指间接致癌物还未经代谢活化的形式，即母体化合物。 近致癌物（proximate carcinogens）：指前致癌物经代谢活化过程形成中间代谢产物。近致癌物虽然经过一定的代谢活化，并可能已具有一定的致癌作用

6、，但必须经进一步代谢活化，才能形成终致癌物。近致癌物指一系列的代谢物，有时可称为半致癌物。,3.引发物和促长物,引发物（initiator）：引发物指具有引发作用的化学物质，亦可称为启动物。 促长物（promotor）：或称为促癌物，具有促长作用的化学物质。通常，促长物只能促进已被引发物诱发癌变的细胞迅速增殖，本身并不具有引发作用。,完全致癌物：同时具有引发作用和促长作用的化学物质。砷化合物 不完全致癌物：仅具有引发作用的化学物 。苯巴比妥、DDT、氯丹、TCDD、高盐与高脂饮食、糖精及香烟烟雾等。,助致癌物（co-carcinogens）：有些化合物，本身既不具有引发作用，也不具有促长作用，

7、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，故称为助致癌物。如乙醇、二氧化硫等。 严格说来，促长物和助致癌物不属于真正的致癌物，但在致癌作用中有重要意义。,4.遗传毒性致癌物、非遗传致癌物,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，导致癌变的化学物质。,非遗传毒性致癌物（epigenotoxic carcinogens）： 指不作用于机体遗传物质的化学致癌物。,第二节 化学致癌机制,体细胞突变学说（遗传毒性） 非突变学说（渐成说、非遗传毒性、基因外致癌学说） 多阶段学说 其它:病毒、,一、致癌作用有关的

8、代谢,机体的生物转化酶系统 I相酶：氧化、还原、水解 II相酶：葡糖醛酸结合、硫酸结合、 乙酰化作用、甲基化作用 代谢灭活：metabolic inactivation 代谢活化：metabolic activation,化学致癌作用的代谢活化过程如下,代谢酶 代谢酶 前致癌物 近致癌物 终致癌物,1）直接环化作用： 黄曲霉毒素B1 黄曲霉毒素B1， 2，3 环氧化物 2）二步环化作用： 苯并（a）芘 7，8环氧苯并 （a）芘 7，8二醇9，10环氧苯并（a）芘,3）N羟化作用： 联苯胺 N羟基二乙酰联苯胺 N乙酰基联苯胺 氮宾离子,生物代谢活化的复杂性：,一种化合物多种代谢产物 多种终致癌物

9、 不同类型代谢酶的分布具有器官特异性，导致化学致癌物在不同部位诱癌的特异性，如肝脏 环境中，人类接触的是混合物，可能同时接触可诱导或可抑制酶活性的化学物质 机体因素：种属、性别、年龄、营养与激素状况等,代谢酶在肿瘤防治中的意义,对于参与某些致癌物活化的酶类，抑制其作用，如大蒜（挥发性二烯丙基硫化物）可抑制CYP2E1;或减少其诱导物的接触 代谢酶与抗癌药的关系，提高药效、减少毒性及副作用 代谢酶遗传多态性，如CYP1A1高诱导性与肺癌，发现高危人群。,二、化学致癌分子机制,（一）DNA加合物（DNA adducts） 概念：亲电性化合物及其代谢产物和生物体内的DNA形成的共价结合产物，是DNA

10、化学损伤的最普遍形式。,遗传毒性致癌机制主要与DNA发生作用，其结果是DNA加合物的形成。 当然，加合物的形成并不一定导致肿瘤，其后果取决于加合物在DNA链上的位置和加合物的性质。,意义： 1）反映外源化合物进入生物体的真实接触浓度 作为效应标志物，反映外源化合物导致的靶器官效应剂量 2）可用以进行环境生物检测和评价，弥补了传统检测的局限性,（二）原癌基因、癌基因及 抑癌基因,1.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。正常情况下呈静止状态，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）。 在人体 正常细胞中存在一种称为原

11、癌基因(Proto-onc)的正常基因，它在细胞中起着调控细胞 生长和分化的作用 。,2.癌基因（oncogene）： 指一类在自然或实验条件下具有诱发恶性转化的潜在基因，它们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。癌基因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。 癌基因(oncogene)是指细胞内或病毒内存在的，能 诱导正常细胞发生转化，使正常细胞获得一个或多个新生物特性的基因 。,一些原癌基因的功能, 原癌基因 功能 相关肿瘤 sis 生长因子 Erwing网瘤 erb-B 受体酪氨酸激酶，EGF受体 星形细胞瘤、 卵巢癌、 肺癌、胃癌、

12、唾腺癌 ras G-蛋白 肺癌、结肠癌、膀胱癌等 src 非受体酪氨酸激酶 罗氏肉瘤 Abl-1 非受体酪氨酸激酶 慢性髓性白血病 raf MAPKKK，丝氨酸/苏氨酸激酶 腮腺肿瘤 ,己知的细胞癌基因分为下列四类: 1 蛋白激 酶类; 2 信息传递蛋白类; 3 生长因子及其受体类; 4 核内蛋白类,3.抑癌基因（anti-oncogene）： 是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（tumor suppressor gene）、肿瘤易感基因（tumor susceptibility gene）.这类基因对细胞的生长、增殖和分化起负调节作

13、用，即抑癌作用。,一些抑癌基因的功能, 抑癌基因 功 能 相关肿瘤 Rb 转录调节因子 RB、成骨肉瘤、 胃癌、SCLC、乳癌、结肠癌 P53 转录调节因子 星状细胞瘤、胶质母细胞瘤、 结肠癌、乳癌、成骨肉瘤、 SCLC WT 负调控转录因子 WT、横纹肌肉瘤、肺癌、 膀胱癌、乳癌、肝母细胞瘤 NF-1 GAP，ras GTP酶激活因子 神经纤维瘤、嗜铬细胞瘤、 雪旺氏细胞瘤、神经纤维瘤 DCC 细胞粘附分子 直肠癌 p21 CDK抑制因子 前列腺癌 ,抗癌基因主要有以下功能:,诱导终末分化. 维持基因稳定. 触发衰老，诱导细胞程序性死亡. 调节细胞生长. 抑制蛋白酶活性 改变DNA甲基化酶活

14、性 调节组织蛋白酶活性 调节血管形 成 促进细胞间联系,化学物通过代谢或直接作用遗传物质，发生突变，使原癌基因活化成癌基因或抑癌基因失活，细胞成为具有发展为肿瘤潜能的引发（或启动）细胞。,癌基因或抑癌基因的研究意义,对癌变的分子机制 作为生物标志物，（预后评价、高危人群检查） 治疗（转基因即将正常p53基因或野生型p53基因转入已突变p53基因的细胞; 制备突变型p53基因抗血清；制备疫苗,（三）基因表达调控异常 与肿瘤发生：,基因表达的调控是一个多水平，包括基因组、转录、转录后、翻译及翻译后等的复杂过程，癌的发生是在多层次上异常所致 。,端粒与端粒酶,正常细胞与恶性肿瘤细胞的生物学特点截然不

15、同，正常细胞寿命呈有限的自控生长；而癌细胞寿命是无限的失控生长。 端粒指位于染色体末端，有端粒DNA及端粒结合蛋白质组成的特殊结构,1990年起Calvin Harley 把端粒与人体衰老挂上了钩,第一、细胞愈老，其端粒长度愈短；细胞愈年轻，端粒愈长，端粒与细胞老化有关系。 衰老细胞中的一些端粒丢失了大部分端粒重复序列。当细胞端粒的功能受损时，出现衰老而当端粒缩短至关键长度后，衰老加速，临近死亡。 第二、正常细胞端粒较短。细胞分裂会使端粒变短，分裂一次，缩短一点，就像磨损铁杆一样，如果磨损得只剩下一个残根时，细胞就接近衰老。细胞分裂一次其端粒的DNA丢失约30-200bp（碱基对），鼠和人的一

16、些细胞一般有大约10000bp。 第三、研究发现，细胞中存在一种酶，它合成端粒。端粒的长短，是由酶决定的。细胞内酶多酶少可预测端粒的长短。正常人体细胞中检测不到端粒酶。 一些良性病变细胞，体外培养的成纤维细胞中也测不到端粒酶活性。但在生殖细胞睾丸、卵巢、胎盘及胎儿细胞中此酶为阳性。令人注目的发现是，恶性肿瘤细胞具有高活性的端粒酶，端粒酶阳性的肿瘤有卵巢癌、淋巴瘤、急性白血病、乳腺癌、结肠癌、肺癌等等。人类肿瘤中广泛地存在着较高的端粒酶活性。这样一来，我们又发现了一种肿瘤细胞的特异物质。,端粒的功能,其位置和特殊结构，有如下功能： 防止染色体DNA 降解、DNA末端末端的融合、重排及丢失等，保证

17、染色体的完整性。 参与细胞分裂，中期时染色体向两极的正常分离 有助于染色体DNA的完全复制，同时具有转录抑制效应,端粒酶,一种特殊的RNA依赖性DNA聚合酶，由RNA和蛋白质组成，能以自身携带的RNA模板合成端粒DNA序列。它与一般DNA聚合酶的区别在于它不需要外界提供模板链。 端粒酶的活化维持了端粒缩短和延伸的动态平衡。如端粒丢失，削弱染色体的稳定性及其功能，进而影响细胞活力。,在肿瘤发生时，端粒酶基因被激活，在裸露的染色体末端重新合成端粒DNA，再现染色体末端的惰性，这样细胞就不会因染色体功能受损而死亡。反而，可无限分裂增殖，即癌细胞获得了永生化特性。,意义,寻找端粒酶抑制剂，为肿瘤治疗提

18、供新药物 寻找端粒酶激活剂，为维持细胞活力和阻止细胞衰老开拓新途径 不足之处：阐明端粒酶基因表达调控的分子机制，建立灵敏、特异、准确、方便的检测端粒酶技术,（四）DNA修复与化学致癌,DNA修复有两种后果：正确修复和错误修复，通常，经错误修复的细胞，尽管能够生存并保持了部分功能，但其代价是出现突变。 化学致癌机制是一种损伤修复突变模式,三、化学致癌过程,引发阶段（initiation） 促长阶段（promotion） 进展阶段（progression）,引发阶段（initiation）,化学致癌物对靶细胞DNA产生作用，产生少量突变细胞 启动作用是不可逆，它对DNA的损伤是细微的，很可能仅仅是

19、转换、颠换、小缺失等基因突变。,实验号 肿瘤 1 I 2 P P P P P P P P P P P P P P P 3 I P P P P P P P P P P P P P P P P 4 P P P P P P P P I 5 I PP PP PP PP PP 6 I P P P P P P P P P P P P P 7 I P P P P P I 启动剂、引发剂（苯并a芘） P 促癌剂、促长剂 （巴豆油） 苯并a芘以亚致癌剂量涂抹小鼠皮肤，巴豆油每周2次涂抹同一部位，观察是否有皮肤癌。,促长阶段（promotion）,定义： 致癌物促进引发形成的肿瘤细胞分裂生长的过程。 促长作用比较

20、复杂，是可逆的，它有物种特异性、并有一定的阈值，低于阈值剂量，即不起促进作用。 促进作用选择性地使启动细胞比正常细胞增殖增多或细胞凋亡相对减少，从而实现克隆扩展。,特 点,1）它在许多方面与引发作用完全不同。 促癌剂通常所作用的组织含有一个或多个已进入引发阶段的细胞，即促癌剂作用在引发作用之后； 引发剂单独作用一般不会引起肿瘤； 只有促癌剂的作用也不会要求肿瘤,2）它是一可逆过程，并可能通过非遗传过程而发生，它是长期、慢性作用，才能引起肿瘤 3）通常具有阈剂量，即促癌剂的剂量低于一定程度，就不具有任何作用。,进展阶段（progression）,突变细胞在形态上功能代谢和行为方面表现出 肿瘤的特

21、征如生长速度、侵袭性、转移能力及生化、免疫性能改变。,四、非突变学说,1、持久增生致癌 慢性刺激产生的组织反复损伤，可导致补偿性增生而诱发肿瘤。 幽门螺旋菌所致慢性胃炎 氮川三乙酸使肾小管、肾盂和膀胱的上皮持久增生而致癌,2、激素失调致癌,激素致癌的作用通常需大剂量和长期染毒。长期使用雌激素或孕酮，大鼠可发生垂体和乳腺肿瘤。 机制尚未完全阐明，不过已知全部致癌激素均可刺激相应的靶器官增生,3、免疫抑制致癌,老人才有癌症的危险 艾滋病易发白血病、淋巴瘤 器官移植，大量使用免疫抑制剂，易发白血病等,4、其它,细胞间隙连接通讯 信号转导,化学致癌作用的特点,1）与大多数外来化合物经体内代谢转化后毒性

22、降低不同，多数化学致癌物需经体内代谢活化，才具有致癌作用（间接致癌物） 2）有种属、品系、性别、年龄的差异，还有明显的组织易感性及脏器特异性。一般说来，活跃增生的组织细胞具有较高的易感性，易发生癌变。,3）一般毒性作用表现快、作用时间短，一经脱离接触，多可恢复，如煤气中毒；化学致癌作用表现较为持久，即使停止接触，仍可发生，潜伏期长1520年（即从接触致癌物到发生肿瘤的时间）,4）致癌作用是全或无的反应，在某些情况下，虽然致癌作用的强弱可以观察到与接触剂量成正比，但由于潜伏期长，发生率较低，要确定阈剂量，是至今毒理学中尚未解决的难题。,5）同样剂量的化学物若分成多次小剂量与机体接触，其致癌作用要

23、比一次大剂量接触强。提示，环境中致癌物的危害更大。 6）肿瘤发生是一多阶段的过程，不同阶段多需不同的因素促成。 7）机制复杂 （p147 图81）,外来化合物,与人体接触包括各种途径,绝大多数的经代谢解毒,排泄,非遗传毒性化合物,终致癌物,少数的经代谢活化,启 动 细 胞,作用于生物大分子,直接或间接诱导有丝分裂、促进细胞过度增值,DNA加合物形成、癌基因与抑癌基因的改变,直接致癌物,促癌物,逃避宿主的免疫监视,DNA损伤修复,癌前病变,肿瘤,多阶段致癌理论图解,肿瘤的形成是一个多因素、多基因参与的多阶段过程。,第三节 观察化学毒物致癌作用 的基本方法,化学物的致癌效应是一种严重的毒性后果，对

24、致癌性评价是一项重要、慎重，而又复杂费时的工作。 流行病学调查 动物致癌试验,一、短期实验,1.致突变试验 优点：根据化学致癌物的致突变性与致癌性之间关联，检出具有遗传毒性的致癌物，特异性高 缺点：灵敏度低，不能检出非遗传毒性及非诱变性致癌物,2.细胞转化试验,细胞转化试验或称细胞恶性转化试验。 试验是将受试物与正常细胞在体外接触，观察细胞的变化，如有致癌作用，可发现正常细胞形态、功能发生变化，而与癌细胞相似的过程。,恶性转化指对培养细胞诱发与肿瘤形成有关的表型改变，包括细胞形态、细胞生长能力、和生化表型等改变，以及移植于动物体内形成肿瘤的能力。,目的：是了解体外培养细胞接触受试物后，细胞的生

25、长是否癌变，其观察内容包括生长自控能力、细胞形态、细胞生长能力、生化表型以及移植于动物体内形成肿瘤的能力等。,优点：可检出遗传毒性与非遗传毒性致癌物 缺点：所检出的大多数为形态转化或恶性前期转化的细胞，但不一定形成肿瘤，对其阳性结果应慎重，它提示受试物具有致癌的可能性，但它不能代替动物试验作出肯定的结论,观察终点：恶性变的细胞,恶性变的细胞表现如下： 形态：细胞偏大，且大小不等；核大而畸形，染色质深染而粗慥，核浆比例倒置，核膜粗厚，核仁增生而肥大；核仁核胞浆因RNA增多而偏酸性，呈嗜碱性染色而偏蓝；多见核分裂现象。 正常的接触抑制消失，它的克隆不是细胞排列有序的单层细胞，而是多层细胞且排列紊乱

26、。 生长表型的改变。,3. 哺乳动物短期致癌试验,是一种有限动物试验（limited in vivo bioassay） 有限的短时间内完成而不是终生试验 其观察的靶器官也限定为一个而不是全部器官和组织,常用动物模型：,小鼠肺肿瘤诱发试验 小鼠皮肤肿瘤诱发试验 雌性大鼠乳腺癌诱发试验 大鼠肝转变灶试验等。,优点：在有限的短时间内完成而不是终生试验，其观察的靶器官也限定为一个而不是全部器官和组织。其试验阳性结果意义与长期动物致癌试验相当 缺点:仅适用于较小范围内的化学物质类型，其试验阴性结果意义较差。,二、哺乳动物长期致癌试验,优点：1）可严格控制试验条件，排除人群流行病学调查，不易排除许多混杂因素的影响 2）缩短试验周期 缺点：试验结果外推至人尚存在不确定性,1、动物选择,对诱发肿瘤的易感性： a.物种 b.性别、年龄 c.数量 d.自发肿瘤率,2、剂量设计,1个对照组 (必要时另设一个溶剂对照组) 3个染毒剂量组 : 无作