外源化合物致癌作用

外源化合物致癌作用第1頁/共78頁第八章

外源化學物致癌作用Chemicalcarcinogenesis第2頁/共78頁近三十年以來，癌癥發(fā)病數(shù)以年均3-5%的速度遞增；3/4新增病例發(fā)生在新興工業(yè)國家及發(fā)展中國家；癌癥已成為人類第二位死因，超過艾滋病、結核、瘧疾致死病例的總和；WHO要求各會員國制定國家癌癥防控規(guī)劃，指出“Ifyou’renotplanning,you’replanningtofail”—Dr.JohnR.Seffrin癌癥已成為一個全球性公共健康問題第3頁/共78頁全球癌癥狀況2008

年,(IARC報告)全球惡性腫瘤新發(fā)病例1270萬（2002-1090萬）死亡病例760萬（670)帶瘤生存患者2460萬發(fā)病率最高：肺癌、乳腺癌和大腸癌死亡率最高：肺癌、胃癌和肝癌患病率最高：乳腺癌

２００８年，５６％的新確診癌癥病人和６３％的死亡病例來自發(fā)展中國家第4頁/共78頁預計2030

年1320萬人死于癌癥確診癌癥病人將有大約2140萬第5頁/共78頁我國改革開放以來，經(jīng)濟、社會、環(huán)境和生活方式發(fā)生了快速變化人口結構快速向老齡化轉變在這一特定歷史時期，中國癌譜將呈現(xiàn)特征性變化開始進入老齡化老齡社會中國癌癥現(xiàn)狀（1）全國老齡工作委員會:2013年底，全國60歲以上的老年人口將達到2億，占人口總數(shù)的14.8%，今后每年將增加約1000萬老年人口，預計到2053年達到4.87億人。第6頁/共78頁IARC報告:2008年282萬（2012-220萬）新發(fā)病例196(2002-160)萬死亡病例中國癌癥現(xiàn)狀（2）第7頁/共78頁腫瘤發(fā)生過程是宿主與環(huán)境之間發(fā)生復雜的、動態(tài)的相互作用過程重要的宿主因素：遺傳構成、健康狀況主要的環(huán)境因素：食物、環(huán)境污染、職業(yè)和生活方式一般估計，80%-90%的人類腫瘤與環(huán)境有關，其中主要是化學因素第8頁/共78頁腫瘤是可以預防的要降低腫瘤的發(fā)病率，首先必須識別、鑒定化學致癌因素和有害的生活方式，闡明其作用機理，然后采取措施加以防治研究化學物致癌作用具有非常重要意義第9頁/共78頁目的要求掌握致癌作用概念并了解其機制熟悉致癌化學物分類熟悉致癌作用評價方法第10頁/共78頁第一節(jié)化學致癌過程Mechanismsofchemicalcarcinogegesis第11頁/共78頁毒理學中“癌”－腫瘤Tumor：指有分裂潛能的細胞受到致癌因素作用后發(fā)生惡性轉化和克隆性增生所形成的新生物。上皮細胞惡性病變---癌間質細胞惡性病變---肉瘤良性腫瘤第12頁/共78頁13生理特征細胞周期失控具有遷移性接觸抑制喪失定著依賴性喪失去分化現(xiàn)象對生長因子需要量降低，代謝旺盛蛋白質合成及分解代謝都增強線粒體功能障礙第13頁/共78頁化學致癌物（chemicalcarcinogen）:具有致癌作用的化學物質化學致癌作用（chemicalcarcinogensis）:化學物質引起或誘導正常細胞發(fā)生惡性轉化并發(fā)展成為腫瘤的過程英國的煙囟清掃工陰囊癌多環(huán)芳烴化合物（3,4苯并芘、…）第14頁/共78頁（進展）第15頁/共78頁多因素、多基因參與的多階段過程

q-長臂；p－短臂正常細胞必須通過腫瘤相關基因遺傳改變的積累才能形成癌細胞APC、DCC、p53---抑癌基因，Ras---癌基因第16頁/共78頁20s世紀40年代，Rous、Mottram和Bernblum等分別試驗i亞致癌劑量的多環(huán)芳烴，皮膚涂抹，（DMBA:二羥甲基丁酸）P巴豆油（其中有促長作用的有效成分為佛波醇酯（TPA））第17頁/共78頁

?腫瘤發(fā)生是一個長期的、多階段、多基因改變累積的過程，具有多基因控制和多因素調節(jié)的復雜性。

?化學致癌過程至少可分為:

引發(fā)（initiation）促長（promotion）進展（progression）細胞癌變的多階段學說第18頁/共78頁1.引發(fā)階段（Initiation)。2.促長階段（Promotion)3.進展階段（Progression)DNA損傷損傷固定遺傳性狀改變

突變細胞在內、外因素的作用下，促進腫瘤細胞的分裂和增生突變細胞生長速度快侵襲性和轉移能力強生理生化和免疫性狀改變第19頁/共78頁1、引發(fā)階段引發(fā)（啟動）是遺傳毒性發(fā)生的過程，是化學致癌的第一步。致癌物直接作用于DNA，引起基因突變，使單個或少量細胞發(fā)生永久性的、不可逆的遺傳性改變，成為突變細胞，或稱“啟動細胞”，誘發(fā)細胞突變的因素稱為引發(fā)劑（啟動劑）。啟動細胞的表型可能正常，它必須通過克隆擴增才能形成良性損傷。在接觸致癌物與發(fā)生細胞轉化之間要有一個相當長的潛伏期，需要啟動效應的遺傳傳遞。第20頁/共78頁1.引發(fā)階段（Initiation)2.促長階段（Promotion)3.進展階段（Progression)DNA損傷損傷固定遺傳性狀改變

突變細胞在內、外因素的作用下，促進腫瘤細胞的分裂和增長突變細胞生長速度快侵襲性和轉移能力強生化學和免疫性狀改變引發(fā)階段的主要特征?不可逆?需要通過細胞分裂加以固定?劑量-反應顯示沒有可測定的閾值，無可測定的最大反應?存在自發(fā)的引發(fā)作用?對外源性化學物質和其他化學因素敏感?引發(fā)作用必須發(fā)生在促長作用之前，“純”引發(fā)作用在無促長時不導致腫瘤第21頁/共78頁2、促長階段細胞在致癌物的作用下變成啟動細胞后，在某些因素作用下，以相對于周圍正常細胞的選擇優(yōu)勢進行克隆擴增，形成鏡下或肉眼可見的細胞群，即良性腫瘤（如乳頭狀瘤或腺瘤）。促長價段癌細胞的表型發(fā)生變化，惡性腫瘤細胞的各種性狀得以表達。起促進作用的因素稱為促長劑或促癌劑。促癌劑包括多種人類環(huán)境中存在的因子，如TCDD、苯巴比妥，以及高鹽高脂飲食、糖精、香煙煙霧等。其中煙霧既是肺癌、胰腺癌、食道癌和其它器官癌的啟動劑，同時也是促癌劑。人體內的一些內源性物質也具有促癌作用，如雌激素對乳腺癌有促進作用；膽酸是結腸癌與肝癌的促進劑。第22頁/共78頁促癌劑的作用機理：①通過細胞毒性或激素作用刺激細胞增殖。如高脂肪飲食可使乳腺癌的發(fā)病率增高，原因是高脂肪飲食可使催乳素分泌增多，而催乳素對乳腺癌的發(fā)生有促進作用。②抑制細胞間的信息互通，從而解除細胞生長的接觸抑制，使啟動了的細胞能逃脫周圍正常細胞的抑制，出現(xiàn)增殖失控。③免疫抑制。第23頁/共78頁1.引發(fā)階段（Initiation)2.促長階段（Promotion)3.進展階段（Progression)DNA損傷損傷固定遺傳性狀改變

突變細胞在內、外因素的作用下，促進腫瘤細胞的分裂和增長突變細胞生長速度快侵襲性和轉移能力強生化學和免疫性狀改變促長階段的主要特征?可逆性?促長劑通常是非致突變物，需要持續(xù)和反復暴露?促長劑的有效性僅出現(xiàn)在引發(fā)作用之后?促長細胞群的存在取決于促長劑的持續(xù)存在?內源性促長劑可起自發(fā)促長作用?劑量-反應顯示有可測定的閾值，有可測定的最大效應?對飲食和激素等因素敏感?促長作用的相對效力取決于達到最大效應的時間和劑量速率第24頁/共78頁3、進展階段

?指在腫瘤形成過程中，在促進之中或之后，細胞表現(xiàn)出不可逆的遺傳學改變，其標志為遺傳不穩(wěn)定性增加和惡性變化，在形態(tài)上或功能代謝和行為方面逐漸表現(xiàn)出惡性腫瘤的生物學特征，如生長速度、侵襲性、轉移能力、以及生理生化、免疫性能的改變等。?當細胞開始失去維持核型穩(wěn)定的能力并出現(xiàn)染色體畸變時，它們即進入進展期。核型不穩(wěn)定性進一步促進腫瘤細胞的生長和惡性表型的發(fā)展，同時引起細胞代謝調節(jié)功能的改變，且逃避機體免疫監(jiān)視等功能。第25頁/共78頁1.引發(fā)階段（Initiation)2.促長階段（Promotion)3.進展階段（Progression)DNA損傷損傷固定遺傳性狀改變

突變細胞在內、外因素的作用下，促進腫瘤細胞的分裂和增長突變細胞生長速度快侵襲性和轉移能力強生化學和免疫性狀改變進展階段的主要特征?不可逆?伴隨生長率和侵襲性的增加出現(xiàn)核型異常，核型不穩(wěn)定性導致細胞基因組結構的形態(tài)學改變?有可測定的和/或形態(tài)學可描述的細胞基因組的改變?進展的早期階段對環(huán)境因素敏感?可見良性和/或惡性腫瘤?促展劑可促進細胞進入該階段，但可能不是引發(fā)劑?可以發(fā)生自發(fā)的進展作用第26頁/共78頁第27頁/共78頁第二節(jié)化學致癌機制第28頁/共78頁

化學致癌作用：多因素、多基因參與的多階段過程。?遺傳機制學派（genetictheory）：親電子劑學說、體細胞突變學說、癌基因學說、癌變的階段學說?

表觀遺傳機制學派（epigenetictheory）

第29頁/共78頁第30頁/共78頁化學物致癌機理：

(1)親電子劑學說

(2)染色體異常學說

(3)癌基因學說

(4)細胞異常增生、免疫抑制

(5)癌變的表遺傳學機制

(6)癌變的階段學說指非基因序列改變所致基因表達水平變化:DNA甲基化/組蛋白修飾/染色質重塑/非編碼RNA突變第31頁/共78頁代謝酶須在體內代謝活化（母體化合物）a.直接致癌物b.間接致癌物的活化代謝產物前致癌物→近致癌物→終致癌物第32頁/共78頁主要解毒物終致癌物親電子代謝物第33頁/共78頁1971年Miller提出直接致癌物（directcarcinogen）間接致癌物終致癌物(ultimatecarcinogen)第34頁/共78頁親電劑與生物大分子（如DNA）親核物結合→形成加合物→DNA損傷→部分細胞惡性轉化→腫瘤致癌物多數(shù)具有遺傳毒性，具有遺傳毒性的致癌物盡管化學結構和性質不盡相同，但有一共同特點：均為親電子劑。第35頁/共78頁依據(jù)：1.大多數(shù)致癌物同時也是致突變物2.許多致癌物的致突變和致癌性質取決于它們是否轉變?yōu)橛H電子的代謝物3.DNA加合物的水平通常與致癌性和致突變性成正相關4.DNA和致癌物的相互作用可活化腫瘤基因DNA加合物可作為人類接觸環(huán)境致癌物的生物標記物DNA加合物是引起腫瘤的直接原因之一第36頁/共78頁√對DNA損傷而引起腫瘤的遺傳毒性機制√對DNA以外靶分子作用的非遺傳毒性機制從本質上說，腫瘤是一種遺傳物質改變導致的疾病，即“遺傳病”大多數(shù)環(huán)境因素的致癌作用都是通過影響遺傳基因作用的，腫瘤是細胞中多種基因突變累積的結果。第37頁/共78頁1920年Roreri提出惡性腫瘤細胞起源于一個染色體不平衡的細胞

一個世紀前,兩位德國科學家發(fā)現(xiàn),染色體紊亂可能是癌癥的直接成因,但這一發(fā)現(xiàn)沒有得到應有的關注,因為科學界的主流觀點認為,基因突變才是引起癌癥的真正原因,染色體紊亂只是癌癥發(fā)生的結果。隨著檢測技術的進步,越來越多的發(fā)現(xiàn)和證據(jù)與主流理論背道而馳。

致癌劑的實際作用是導致非整倍化

染色體的改變方式只與長出腫瘤的組織有關,而與患者沒有太大的關系。這就是說,某一組織的細胞要發(fā)生癌變,染色體必須發(fā)生一定的改變,才能使細胞擺脫遺傳程序的束縛。因此,非整倍體細胞要走上惡變之路,染色體變異就是最基本的條件。第38頁/共78頁第39頁/共78頁致癌物質會隨機地造成染色體的損傷和有絲分裂的故障，受此影響的分裂細胞就會無法平均分配染色體，使兩個子細胞都變成非整倍體細胞。大多數(shù)非整倍體細胞都不能存活，但存活下來的細胞繼續(xù)分裂。輕度非整倍體細胞及其子代細胞會逐步喪失正常功能，但還沒有導致大量增值。細胞內染色體數(shù)目異常造成了更多染色體損傷和混亂，于是每一代子細胞越加不穩(wěn)定，并逐步發(fā)展出惡性細胞的特征。第40頁/共78頁第41頁/共78頁癌基因

20世紀60年代初,很多著名科學家都認為,病毒是引發(fā)絕大多數(shù)腫瘤的罪魁禍首。當時發(fā)現(xiàn),一些病毒感染細胞后,會將自身的遺傳物質插入細胞的基因組,引起細胞的惡性轉化和異常增殖,最終導致白血病等癌癥。

逆轉錄病毒的研究對于闡明人類癌癥的發(fā)生機理具有重要意義。逆轉錄病毒的基因組中除了病毒本身復制所必需的基因，如編碼病毒核心蛋白（gag）、外殼糖蛋白（env）及逆轉錄酶（pol）等的基因外，還包括一個能引起細胞惡性轉化的基因。這種基因就是現(xiàn)在為人們所熟知的癌基因（oncogene，onc）。由于最初是在病毒中發(fā)現(xiàn)的，所以稱之為病毒癌基因（v-onc）。后來發(fā)現(xiàn)，在許多動物的正常細胞中都存在著與v-onc相對應的DNA序列，稱之為原癌基因（proto－oncogene）或細胞癌基因（c-onc)

第42頁/共78頁原癌基因癌基因突變致癌物癌變原癌基因與癌基因關系“原癌基因”(proto-oncogene）就像一顆顆“定時炸彈”,埋藏在人類基因組里,隨時可能爆發(fā)，一旦發(fā)生突變,原癌基因就會變成癌基因第43頁/共78頁

1.細胞癌基因在長期進化過程中極為保守，在無脊椎動物（如果蠅）的基因組中就可以找到與哺乳動物細胞癌基因基本上同源的序列。所以實際上在正常情況下，細胞癌基因不僅對機體無害，而且可能在發(fā)育過程中，以至于對生命的維持起著重大的作用2.細胞癌基因在正常細胞中可以有低水平的表達，而在癌組織中與其相對應的活化癌基因的表達水平卻比它高的多。

現(xiàn)有資料表明：第44頁/共78頁抑癌基因（anti-oncogene）又稱腫瘤抑制基因（tumorsuppressorgene），指對細胞生長、增殖和分化起負性調節(jié)的基因抑癌基因失活→→腫瘤細胞增殖失控正常情況抑癌基因具有多種多樣的細胞功能，如P53野生型抑癌基因的功能是使正常細胞以及腫瘤細胞分化避免增值過多（減少增值和/或誘導分化和增加凋亡）第45頁/共78頁遺傳毒性致癌物主要通過原癌基因突變從而激活為癌基因或/和抑癌基因突變從而失活引起致癌作用癌基因的兩個等位基因中的單個基因突變可以影響細胞表型抑癌基因的兩個等位基因都必須失活才能改變細胞表型第46頁/共78頁（原癌基因）第47頁/共78頁第48頁/共78頁癌基因、抑癌基因與生長因子的關系癌基因抑癌基因細胞生長因子正調控負調控產物終末分化增殖第49頁/共78頁化學致癌過程第50頁/共78頁完全致癌物： 兼有引發(fā)、促長和進展作用的化學物第51頁/共78頁外來化學物與人體接觸大多數(shù)經(jīng)代謝解毒排泄非遺傳毒性化合物直接致癌物少數(shù)經(jīng)代謝活化終致癌物直接或間接誘導有絲分裂、促進細胞過度增殖作用于大分子DNA損傷修復DNA加合物形成、癌基因與抑癌基因的改變引發(fā)細胞逃避細胞免疫監(jiān)視促癌物癌前病變腫瘤多階段致癌理論圖解第52頁/共78頁化學致癌多基因、多因素參與的多階段理論化學致癌物癌基因抑癌基因DNA修復基因代謝酶基因凋亡基因抗凋亡基因外源性因素

理化生物因素、營養(yǎng)等內源性因素遺傳、免疫、激素、精神等生物體

引起癌基因、抑癌基因等發(fā)生點突變、擴增、易位、重排、缺失等使癌基因活化，抑癌基因失活，導致細胞的增殖、分化、凋亡異常引起腫瘤

第53頁/共78頁第三節(jié)化學致癌相關的分子事件端粒調控與細胞永生化細胞調控周期紊亂細胞凋亡與腫瘤發(fā)生第54頁/共78頁第四節(jié)化學致癌物分類第55頁/共78頁

IRAC分類 按化學致癌作用模式和機制分類按對人和動物致癌性的其它分類第56頁/共78頁

人類致癌 動物致癌 證據(jù) 證據(jù)1組（致癌物） 充分2組（A可疑致癌物）有限 充分 （B可能致癌物）有限 不充分 不足 充分3組（目前無法分類）不足 不足4組（可能是非致癌物）沒有 沒有 第57頁/共78頁根據(jù)致癌物對人類和動物的致癌性分類（國際癌癥研究中心IARC，至2012年1月共評價927種）組1，對人類是致癌物。對人類致癌性證據(jù)充分。有107種；組2，對人類是很可能或可能致癌物。組2A，對人類很可能是致癌物。對人類致癌性證據(jù)有限，對動物致癌性證據(jù)充分。有58種；組2B，對人類是可能致癌物。對人類致癌性證據(jù)有限，對動物致癌性證據(jù)并不充分；或對人類致癌性證據(jù)不足，對動物致癌性證據(jù)充分。有249種；組3，現(xiàn)有證據(jù)不能對人類致癌性分類。有512種；組4，對人類可能是非致癌物，有1種（己內酰胺）。第58頁/共78頁遺傳毒性致癌物化學致癌作用模式直接致癌物：不經(jīng)過代謝活化就具有活性間接致癌物：必須經(jīng)過代謝活化才具有致癌性促癌劑：本身不致癌，但對致癌物有促進作用物質表觀遺傳毒性致癌物促癌劑、細胞毒物、激素、免疫抑制劑、固態(tài)物質暫未確定遺傳毒性的致癌物第59頁/共78頁（表觀）第60頁/共78頁第61頁/共78頁第六節(jié)

化學致癌物篩查的基本方法第62頁/共78頁化學致癌物判斷的證據(jù)1.人群流行病學調查：必須具備兩項以上由不同研究者在不同地點、不同對象中以不同調查方法獲得的結論相符的證據(jù)2.動物實驗證據(jù)：至少有兩項按現(xiàn)行常規(guī)設計進行，符合GLP，在不同物種動物所得結果一致的動物致癌物鑒定資料第63頁/共78頁基本方法定量構效關系分析：特定結構、空間構象—生物學效應（生物信息學）短期試驗—快速篩查致突變試驗、細胞轉化試驗、哺乳動物短期致癌試驗哺乳動物長期致癌試驗人群流行病學調查

第64頁/共78頁一、短期試驗（一）致突變試驗：①基因突變試驗：Ames試驗...②染色體畸變試驗：體外細胞系細胞遺傳學分析，小鼠骨髓微核試驗，大鼠骨髓染色體畸變試驗;③原發(fā)性DNA損傷：DNA加合物，鏈斷裂，DNA修復誘導(細菌SOS反應，大鼠肝UDS誘導)，SCE試驗；④體外細胞轉化：敘利亞地鼠胚胎細胞，Balb/c3T3細胞

第65頁/共78頁（二）細胞轉化試驗受試物與正常細胞在體外接觸，如有致癌作用，可使正常細胞形態(tài)、功能發(fā)生變化，發(fā)生與癌細胞相似的過程惡性轉化后的細胞接種在裸鼠皮下可形成肉眼可見的腫瘤可以彌補致突變試驗的不足：可檢測遺傳毒和非遺傳毒致癌物第66頁/共78頁（三）哺乳動物短期致癌試驗哺乳動物短期致癌試驗又稱為有限體內試驗，指時間有限(數(shù)月)，靶器官有限。較受重視的短期致癌試驗有下列四種：1．小鼠皮膚腫瘤誘發(fā)試驗：引發(fā)劑為致癌性多環(huán)芳烴，促長劑為佛波醇酯(TPA)。2．小鼠肺瘤誘發(fā)試驗：引發(fā)劑為烏拉坦，促長劑為二丁基經(jīng)基甲苯(BHT)。3．大鼠肝轉化灶誘發(fā)試驗:

引發(fā)劑為二乙基亞硝胺(DEN)，促長劑為苯巴比妥(PB)4．雌性大鼠乳腺癌誘發(fā)試驗

此四個試驗不是成組試驗，應根據(jù)受試物的特點選擇使用。此四個試驗任一試驗得到陽性結果的意義與長期動物致癌試驗相似，但陰性結果并不能排除受試物的致癌性。適用于按照構效關系能預測靶器官的受試物第67頁/共78頁何時應考慮進行致癌性評價：

①人體可能長期暴露于該化學物；②該化學物或其代謝物的化學結構與已知致癌物相似；③反復染毒毒性試驗提示該化學物可能產生癌前病變。如在3種遺傳毒理學短期試驗均得到陽性結果，可預測為遺傳毒性致癌物；如在3種遺傳毒理學短期試驗均得到陰性結果，可預測為非遺傳毒性非致癌物；如經(jīng)5種遺傳毒理學短期試驗仍不能預測其致癌性的化學品，應優(yōu)先進行哺乳動物致癌試驗。第68頁/共78頁二、哺乳動物長期致癌試驗期限：

長期或終生大鼠－2年小鼠－1.5年動物：敏感動物（兩種）剛斷乳或斷乳不久雌雄各半每組每性別50只，希望在第1個腫瘤出現(xiàn)時，每組還有不少于25只動物劑量：3個染毒組無作用劑量組閾劑量組發(fā)生腫瘤劑量組1個對照組1個溶劑組（必要時）第69頁/共78頁第70頁/共78頁結果觀察、分析與評定腫瘤總發(fā)生率(％)＝(實驗結束時患腫瘤動物總數(shù)/有效動物總數(shù))×100％有效動物總數(shù)指最早發(fā)現(xiàn)腫瘤時存活動物總數(shù)致癌試驗常用指標：1.腫瘤發(fā)生率：最重要指標2.多發(fā)性：一個動物出現(xiàn)多個腫瘤或一個器官出現(xiàn)多個腫瘤3.潛伏期：通常用各組第一個腫瘤出現(xiàn)時間為該組潛伏期腫瘤總發(fā)生率、惡性腫瘤總發(fā)生率、各器官或組織腫瘤發(fā)生率和惡性腫瘤發(fā)生率，各病理類型腫瘤發(fā)生率…第71頁/共78頁應著重報告發(fā)現(xiàn)腫瘤的部位、數(shù)量、性質、癌前病變，以及其他毒性效應；應報告劑量—反應關系及統(tǒng)計學分析結果。同時重視染毒組出現(xiàn)而對照組未出現(xiàn)的腫瘤類型如在動物組織中觀察到良性和惡性腫瘤，并有良性腫瘤向惡性化進展的證據(jù)，在進行統(tǒng)計學分析之前將良性和惡性腫瘤合并是適宜的，但仍希望分別對良性和惡性分別統(tǒng)計處理。評價該試驗不同