外源化学物致癌作用

外源化学物致癌作用,(chemical carcinogenesis),*,1,【目的要求】,掌握化学致癌的细胞癌变的多阶段学说 了解化学致癌的机制 了解化学致癌相关的分子事件 掌握化学致癌物的分类方法和依据 掌握化学致癌物筛查的基本方法,外源化学物致癌作用,*,2,【主要内容】,概述 化学致癌过程 化学致癌机理 化学致癌相关的分子事件 化学致癌物的分类 化学致癌物筛查的基本方法,外源化学物致癌作用,*,3,概 述,外源化学物致癌作用,*,4,流行病学调查表明：人类肿瘤病因学中80%90%以上与环境因素（化学、物理、生物因素）有关。 化学物质在人类环境中的大量使用，造成环境化学污染严重，与肿瘤发病率上升密切相关。,外源化学物致癌作用,*,5,在北美发达国家，前列腺癌、乳腺癌占多数，而在中国，肺癌、胃癌、肝癌等癌症更为常见。目前中国发病率和死亡率最高的癌症是肺癌。,加拿大渥太华大学曾对渥太华地区18万名非吸烟者进行研究，发现PM2.5与肺癌之间存在明显相关性：PM2.5浓度每增加10微克/立方米，肺癌死亡率或将增加15%到17%。,中国最大规模癌症生存数据汇总分析发布，数据显示中国癌症五年生存率为30.9%，远低于发达国家水平，同时农村患者的生存率仅约为城市患者的一半。据国家癌症登记中心和癌症防控办公室对全国13.9万个病例的分析统计，中国癌症患者五年生存率为30.9%，仅为美国（66%）的一半。全世界癌症五年生存率最高的国家是加拿大，100个加拿大癌症患者中，有82个在接受治疗后可以生存5年以上，而手术5年后，癌症的复发率也大大降低。除加拿大外，日本、澳大利亚和大部分西欧国家癌症患者生存率也很高，普遍都在70%以上，中国、印度、阿尔及利亚等国属于癌症生存率较低的国家，五年生存率不到40%-（英国医学杂志柳叶刀（The Lancet） 。,外源化学物致癌作用,*,6,外源化学物致癌作用,*,7,化学物引起或诱导正常细胞发生恶性转化并发展成为肿瘤的过程。,化学致癌作用（chemical carcinogenesis）,化学致癌物（chemical carcinogen）,能引起动物和人类肿瘤、增加肿瘤发生率或死亡率的化合物。,外源化学物致癌作用,*,8,化学物与肿瘤研究历史,第一阶段：化学物与肿瘤的相关性,第二阶段：化学致癌的实验动物研究,第三阶段：肿瘤流行病学研究,第四阶段：致癌作用的机制研究,外源化学物致癌作用,*,9,1771年：第一篇有关癌症的科学报告由英国人John Hill提出 ，认为使用鼻烟可能与鼻咽癌有关 1820年：Paris第一个提到砷可致皮肤癌。 1875年：Percival Pott报道伦敦的扫烟囱工人中发生阴囊癌较多，提出其原因可能是煤烟尘，首次提出了化学物质和癌的可能关系。 1879年：Harting和Hesse认为肺癌是中欧金属矿工的职业病，这是职业引起肺癌的最先发现。 1895年：Rehn报道德国染料工业工人发生职业性膀胱癌，首次怀疑化学物质的致癌性。,第一阶段：化学物与肿瘤的相关性,外源化学物致癌作用,*,10,第二阶段：化学致癌的实验动物研究,1915年：日本生物学家Yamagiwa和Ichikawa 用煤焦油涂抹兔耳成功地诱发了实验性皮肤癌。 1922年：英国化学家Kennway从煤焦油中分离 出多种多环芳烃，其中有几种能诱发实验动物。 1932年：Lacassagne发现给小鼠注射雌激素能 诱发乳腺癌。 1933-1935年：Yoshida用偶氮染料O-氨基偶氮 慢性饲喂大鼠诱发了肝癌。 1938年：Heuper 使用-萘胺诱发了狗膀胱癌。 1941年：Wilson发现农药2-乙酰氨基芴为大鼠 强烈致癌剂。,外源化学物致癌作用,*,11,第三阶段：肿瘤流行病学研究,1945年：英国人Case对染料工业中的膀胱癌进行了详细的流行 病学调查，结果证实了-萘胺和联苯胺的致癌性。 19601965年：发现罕见的恶性间皮瘤与暴露石棉有关。 1961年：发现黄曲霉毒素与肝癌的关系。 1970年：首次报道怀孕期服用过乙烯雌酚的母体，其女性后代 易患阴道透明细胞癌。,外源化学物致癌作用,*,12,1947年：Miller等发现肝脏致癌剂氨基偶氮染料能与肝脏蛋白质共价结合 50年代：法国普尔曼教授夫妇，根据多环芳烃类的致癌作用开始研究“结构与致癌活性的关系”，提出了“区理论”。 19581964年 Miller 发现2-乙酰氨基芴在大鼠体内的羟化是代谢活化过程的第一步。 19621968年 发现DNA和RNA是致癌性化学物或其代谢产物结合的靶分子。 70年代：杰林纳等提出了多环芳烃类的致癌作用“湾区理论” 1984年：Balmain等首次报道在化学物的致癌过程中，涉及到癌基因的激活和抑癌基因的失活。,第四阶段：致癌作用的机制研究,外源化学物致癌作用,*,13,第一节 化学致癌过程,外源化学物致癌作用,*,14,一、细胞癌变的多阶段理论,从接触致癌物到肿瘤形成潜伏期长，平均15-20年。,癌变过程涉及多基因突变，包括癌基因、抑癌基因、细胞生长调节基因、凋亡基因及维持细胞稳定性的基因等。同时必须在时间和空间上的高度吻合，才能出现所有恶性细胞的特征。,基因突变的启动细胞，必须经过选择性的增殖，逃逸机体的免疫监视，并获得自主性生存的条件，才能形成临床上可见的肿瘤。,外源化学物致癌作用,*,15,引发阶段（initiation stage） 促长阶段（promotion stage） 进展阶段（progression stage）,肿瘤的发生是一个长期的、多阶段、多基因改变累积的过程，具有多基因控制和多因素调节的复杂性。目前公认的化学致癌过程至少包括3个阶段：,外源化学物致癌作用,*,16,引发阶段：化学致癌物造成正常细胞遗传物质永久性、不可逆的改变，并通过细胞分裂固定下来的过程。,作用快、时间短、反应迅速 存在剂量-效应关系，但无法确定阈剂量 在分子与细胞水平上是不可逆的 对外源性化学物及其它化学因子敏感,主要 特点,引发剂或启动剂（initiator）：具有引发启动细胞形成的化学物质。,外源化学物致癌作用,*,17,促长阶段：单克隆的启动细胞在一种或多种促癌剂的作用下，表型发生改变，逐渐获得肿瘤细胞的各种性状，并且不断增殖的过程。,是一个长期慢性作用的结果 剂量-反应关系明显，能确定阈值 对内源性因子如激素、生长因子敏感 在基因与细胞水平上具有可逆性。,主要 特点,促长剂（promotor）：具有促长启动细胞恶性转化与增殖的化学物。单独不具有致癌作用。,外源化学物致癌作用,*,18,主要 特点,进展阶段：指由良性肿瘤转变为恶性肿瘤，进一步演变成更具有恶性表型或具有侵袭性的特征的肿瘤的过程。主要的表现是自主性与异质性增加，生长加速、侵袭性增强，出现浸润与转移等恶性生物学特征。,核型的不稳定性与细胞基因组形态学改变 进展迅速，具有浸润与转移的特征 完全不可逆,外源化学物致癌作用,*,19,多阶段致癌的形态学和生物学特征,外源化学物致癌作用,*,20,二、化学致癌的遗传易感性,肿瘤的发生是致癌因素的作用与个体的遗传易感性共同决定的，而个体的遗传易感性又是由特定基因的遗传多态性决定的。,呈常染色体隐性遗传的遗传综合征如Bloom综合征易发生白血病和其他恶性肿瘤；,毛细血管扩张共济失调症患者易发生急性白血病和淋巴瘤；,着色性干皮病患者经紫外线照射后易患皮肤基底细胞癌和磷状细胞癌或黑色素瘤。,这些肿瘤易感性高的人群常伴有某种遗传性缺陷，上述三种遗传综合征均累及DNA修复基因。,外源化学物致癌作用,*,21,基因遗传多态性的基础是单核苷酸的多态性（single nucleotide polymorphism，SNP），指在基因组水平上由单个核苷酸的变异（转换或颠换）所引起的DNA序列多态性。是人类最常见的可遗传变异，占所有已知多态性的90%以上。平均每5001000个碱基对中就有1个，估计其总数可达300万个甚至更多。,SNP是人种之间、个体之间基因功能差异的遗传基础之一，与民族、地区以及个体对外来化学物的反应性差异，肿瘤易感性差异有明显关系。,单核苷酸的多态性与肿瘤易感性,hEXO1（人类核酸外切酶）有16个位点为可能的多态性位点；CYP1A1至少存在4个与化学致癌有关的多态性位点。 如CYP1A1基因M1和M2多态性与中国人患肺鳞癌危险性显著相关。,外源化学物致癌作用,*,22,毒物代谢酶在致癌物的活化（CYP450）、解毒（GST）过程中起重要作用，如果这些基因发生突变，将会导致相应酶活性的改变，从而增强或（在某些情况下可能降低）对化学物致癌的易感性。,如CYPlAl基因M2、M4的多态性，能提高酶的活性，增加诱导性，进而加速前致癌物的活化，增加了肿瘤易感性，增加了肺癌、前列腺癌、B-淋巴细胞白血病等的患病率。,如M2在第7外显子4889碱基腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G），在酶蛋白水平表现为第462密码子由异亮氨酸缬氨酸；M4在第7外显子4887碱基胞嘧啶（C）腺嘌呤（A），第461密码子从苏氨酸天冬氨酸，从而提高了酶的活性。,毒物代谢酶基因多态性,外源化学物致癌作用,*,23,第二节 化学致癌机制,外源化学物致癌作用,*,24,体细胞突变学说：即通过造成DNA损伤而引发肿瘤形成的遗传毒性机制,化学致癌是多因素、多基因参与的多阶段过程，在化学致癌机制的研究中形成了多种学说：体细胞突变学说、癌基因学说、亲电子剂学说、癌变多阶段学说、表观遗传机制学说等。,非突变致癌学说：即对DNA以外靶分子的作用而诱导肿瘤形成的非遗传毒性机制,外源化学物致癌作用,*,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 。,一、体细胞突变学说,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。,外源化学物致癌作用,*,26,体细胞突变学说的相关证据,致癌物DNA加合物能诱导基因突变；,大多数致癌物在诱变试验中呈阳性；, DNA修复缺陷可以导致肿瘤发生；,许多肿瘤细胞出现染色体畸变或基因不稳定性；,肿瘤细胞来源于细胞单克隆；,癌基因突变以及抑癌基因的的突变与失活在肿瘤细胞普遍存在。,外源化学物致癌作用,*,27,二、非突变机制学说,表观遗传调控失常导致肿瘤增生 细胞异常增生 免疫抑制 内分泌激素失衡 过氧化酶体增殖剂激活受体,外源化学物致癌作用,*,28,Happy International WorkersDay !,第三节 化学致癌相关的分子事件,外源化学物致癌作用,*,30,一、基因突变,癌变过程涉及癌基因和抑癌基因的突变。,体细胞突变学说,DNA修复酶基因，以及一些与细胞凋亡调控和维持基因 组稳定的相关基因也与肿瘤发生发展密切相关。,外源化学物致癌作用,*,31,二、端粒调控与细胞永生化,端粒（Telomere）是真核细胞染色体末端的特殊结构。人端粒是由6个碱基重复序列(TTAGGG)和结合蛋白组成。人类端粒的长度约为15Kb碱基。,端粒的主要功能包括：,1.保护染色体末端防止被核酶降解或被化学修饰或融合以及非正常重组，维持其完整性；,2.与其中蛋白质共同参与染色体的定位和复制，使细胞得以正常分化或繁殖；,3.反映细胞分裂的能力与寿命。,事实证明，大多细胞的端粒长度与细胞的分裂能力有关，越长分裂能力越高，反之亦然。,外源化学物致癌作用,*,32,肿瘤细胞的无限分裂能力与端粒酶活性有关。在异常组织中，对于具有无限增殖能力的癌细胞，其中85%95%的细胞中均表达端粒酶的活性，而且恶性肿瘤细胞的端粒酶活性和hTERT（human Telomerase Reverse Transcriptase）基因表达水平分别是正常细胞的100倍和25倍。,1991年Harley提出端粒-端粒酶假说，认为正常细胞衰亡要经过第一致死期M1期（Mortality Stage1）和第二期M2期（Mortality Stage2）两个阶段。即在细胞有丝分裂的过程中端粒DNA不断丢失而使端粒缩短，当端粒缩短到一定长度（2kb4kb）时，染色体的稳定性遭到破坏，细胞出现衰老的表现，细胞进入第一致死期M1期。此时细胞不再分裂，而是退出细胞周期而老化并死亡。癌基因激活或抑癌基因（P53，Rb）失活，细胞便可越过M1期，继续分裂20-30次，端粒继续短缩，最终进入第二致死期M2期。,多数细胞由于端粒太短而失去功能并死亡，只有少数细胞的端粒细胞的端粒酶被激活，修复和维持端粒的长度，使细胞逃避M2期，而获得永生。,外源化学物致癌作用,*,33,三、细胞周期调控紊乱,细胞增生过程由细胞周期（cell cycle）来完成。,细胞的分裂过程都要经历相同的阶段，即DNA合成前期（G1）DNA合成期（S）DNA合成后期（G2）细胞分裂期（M）。,外源化学物致癌作用,*,34,细胞周期调控的核心成员是细胞周期素（cyclins）、细胞周期素依赖性激酶（cyclin dependent kinase，CDKs）及细胞周期素依赖性激酶抑制物（CDKIs）。,不同分子的Cyclin和 CDK及CDKI与其他相关调控蛋白精确调控细胞周期的每一个时相。,细胞调控有两大机制，一是细胞周期驱动机制；二是细胞周期监控机制，在细胞周期的许多时相点上存在细胞周期检测点（cell cycle checkpoint）。 从功能上看，细胞周期有DNA损伤检测点和时相次序检测点两大类。这些检测点对细胞周期进程进行严格监测，使DNA复制和有丝分裂准确无误地执行。,外源化学物致癌作用,*,35,细胞周期监控机制的破坏导致了基因组不稳定性，突变基因数量增加。这些突变的基因往往就是癌基因和抑癌基因，同时，很大一部分的癌基因和抑癌基因又是细胞周期调控机制的组成部分。如p53，Rb，p21，p16，cyclin D1，BRCA1，c-myc等。因此，在肿瘤发展过程中，监控机制的异常会使细胞周期调控机制进一步恶化，并导致细胞周期驱动机制的破坏，细胞周期的驱动能力异常强化，细胞进入失控性生长状态，从而细胞出现癌变性生长。,肿瘤细胞的最基本特征是细胞的失控性生长，而失控性增生的根本原因就是细胞周期调控机制的破坏，包括驱动机制和监控机制的破坏。,外源化学物致癌作用,*,36,细胞凋亡(apoptosis)：亦称程序性细胞死亡(programmed cell death)，是机体为了维持自身组织中细胞生成与细胞消亡的平衡，出现的一种细胞基因指导下的主动自我消亡过程。细胞凋亡不同于一般细胞坏死。,细胞凋亡和坏死的特征比较,四、细胞凋亡与肿瘤发生,外源化学物致癌作用,*,37,细胞凋亡参与了癌症的起始过程，并对癌症的发生起负调控作用。癌前期细胞对细胞凋亡更为敏感，更易被清除，这是机体自我保护功能的表现。目前对细胞凋亡与肿瘤发生的研究多为体外或动物实验阶段。,实验证明，细胞凋亡与肝癌生长呈负相关。肝癌细胞组织培养显示，在广泛轻微损伤或刺激可诱导试管内肝癌细胞的凋亡. 有人观察了顺铂对增殖的肝癌细胞凋亡的诱导作用后认为，顺铂引起的细胞凋亡与细胞周期有关。Teatle指出，TGF1可促进体外培养的肝癌细胞中的DNA降解，并可通过受体连接杀伤肝癌细胞。,白血病细胞凋亡可由去除存活因子，细胞毒制剂的治疗等所引起。而存活因子，突变型p53和bcl-2可抑制细胞的死亡及增强癌症产生的可能性。Lotem et al发现粒细胞性白血病细胞中bcl-2的表达水平与细胞对凋亡诱导剂的敏感性有关，而C-myc则无关。,外源化学物致癌作用,*,38,第四节 化学致癌物的分类,外源化学物致癌作用,*,39,一、根据对人类和动物的致癌作用分类,国际癌症研究所（International Agency for Research on Cancer，IARC）根据致癌性证据的充分性，以人类致癌性资料和动物致癌性资料将化学物的致癌作用分为4级。,外源化学物致癌作用,*,40,IARC关于化学物致癌性分类证据,外源化学物致癌作用,*,41,IARC致癌物的分类,外源化学物致癌作用,*,42,1.遗传毒性致癌物（genotoxic carcinogen） 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。,二、根据化学致癌物作用机制的分类,（1）直接致癌物：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。如各种烷化剂。,（2）间接致癌物：本身并不直接致癌，必须在体内经代谢活化以其活性代谢产物起作用。有天然和合成化合物。如多环芳烃、芳香胺类、黄曲霉毒素等。,（3）无机致癌物：可能影响DNA的复制和转录而致癌，有些可能是亲电子剂。如镍、铬、钛、锰等金属及其盐类,外源化学物致癌作用,*,43,（1）促长剂：本身不致癌、但可促进启动物的作用。如佛波醇酯、苯巴比妥、DDT和糖精等,2.非遗传毒性致癌物（indirect carcinogen） 指不作用于机体遗传物质的化学致癌物。,（2）内分泌调控剂：改变内分泌系统的平衡，破坏细胞去分化、促进细胞生长。如雌二醇、乙烯雌酚、硫脲等,（3）免疫抑制剂：免疫系统受抑制，使启动的细胞和肿瘤细胞得以增殖。如硫唑嘌呤，6-巯基嘌呤，环孢素A等,（4）细胞毒物：引起慢性细胞杀伤、导致细胞增生和癌变。如四氯乙烯、次氮基三乙酸、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生成。如邻苯二甲酸乙基己酯,（6）固态物质：确切机制不明，通常是对间质细胞和组织起作用，物理形态是关键的因素。如石棉，金属箔，高分子聚合物纤维或箔。,外源化学物致癌作用,*,44,3.未分类： 如二恶烷、美舍吡伦等。,助致癌物：即无引发作用也无促长作用，但可促进或增强全部致癌过程的化合物。如乙醇、SO2等。,外源化学物致癌作用,*,45,多环芳烃类化合物：存在于石油、煤焦油、烟囱排出的煤烟、汽车排出的废气及燃烧的纸烟中；存在于烟熏和烧烤的鱼、肉等食品中。主要诱发肺癌或胃癌。 芳香胺类化合物：多存在于染料中，如-奈胺、联苯胺、4-氨基联苯等，与印染工人和橡胶工人中的膀胱癌发生率较高有关。 氨基偶氮染料：含偶氮基团-N=N-，是一类具有颜色的化合物，曾用作纺织品、食品及饮料的染料，可诱发实验动物(大白鼠）肝癌。 亚硝胺类化合物：亚硝胺的前体物硝酸盐、亚硝酸盐与二级胺广泛存在于食物中，尤其在腌制的鱼肉和变质的蔬菜中含量更高，可诱发食管癌或胃癌。另外，亚硝酸盐可作为肉、鱼类食品的防腐剂与着色剂进入人体。 霉菌毒素：对人类有致癌作用的主要有黄曲霉素，黄曲霉素B1是最强的致癌物，可诱发肝癌。黄曲霉素广泛存在于污染的食品中及高温潮湿地区的霉变食品中，其中以霉变的花生、玉米及谷类中的含量最高。 烷基卤：如氯乙烯，为一种塑料原料，可在塑料工人中诱发肝血管瘤等。 其他致癌物质：抗癌药物烷化剂，石棉纤维，金属类和非金属类（镍、铬、镉及苯、砷）等。,常见的主要化学致癌物,外源化学物致癌作用,*,46,第五节 化学致癌物筛查的基本方法,外源化学物致癌作用,*,47,一、定量构效关系分析 二、遗传毒性试验 三、细胞恶性转化试验 四、哺乳动物致癌试验 五、促癌剂的检测 六、转基因或基因敲除动物致癌作用模型 七、人群流行病学调查研究,外源化学物致癌作用,*,48,(一)哺乳动物短期致癌试验,是一项有限的体内动物致癌试验，包括时间有限（1-3月）、观察终点有限（癌前病变），检查的器官有限（仅限于某些特定的组织与器官）。 常配合使用促长剂，如氟玻酯、-羟基丁酸、苯巴比妥等。 主要类型：小鼠皮肤肿瘤诱发试验；小鼠肺肿瘤诱发试验；大鼠肝脏转变灶诱发试验；雌性大鼠乳腺癌诱发试验。 阳性结果表明受试物具有动物致癌性，阴性结果意义难以肯定。,哺乳动物致癌试验,外源化学物致癌作用,*,49,(二)哺乳动物长期致癌试验,又称哺乳动物终生试验，是目前公认的确证动物致癌物的经典方法，较为可靠。,优点：是接近终身的整体动物试验，考虑化学致癌过程的长期性，同时可严格控制试验条件，具有较高的预测性。,局限性：花费大、试验周期长、动物用量大； 接触剂量与方式与人类有一定的差别，结果外推至人存在不肯定性,外源化学物致癌作用,*,50,1.动物选择：通常选用初断乳大、小鼠，雌雄各半。 2.动物数量：每组动物数雌雄至少各50只。如肿瘤自发率高、或肿瘤诱发率低，动物数应有所增加。 3.剂量设计：通常需3个剂量组，高剂量组一般采用90天毒性试验的最大耐受剂量，低剂量一般要求高于人类的实际可能接触剂量。 4.试验期限：原则上要求长期或终生，一般情况下小鼠1.52年，大鼠22.5年。 5.结果观察：各种类型(良性、恶性、组织器官特异性、病理分型)发生率、多发性、潜伏期。,试验设计的基本要求,外源化学物致癌作用,*,51,人群流行病学调查,优点：是确定人类致癌物的唯一方法。,局限性： 1.观察指标多为化学致癌作用的结果，对三早及预防不利； 2.影响因素多、暴露复杂，因果关系难以确定； 3.需要有满足条件（时间、暴露因子）的足够量的接触人群与合适的对照人群。,外源化学物致癌作用,*,52,chemical carcinogen （化学致癌物） initiation （启动作用） promotion （促进作用） progression （进展作用） oncogene （癌基因） tumor suppressor gene （肿瘤抑制基因）,本章毒理学英文词汇,外源化学物致癌作用,*,53,1.化学致癌物的分类方法及有关概念。 2.致癌物的代谢过程及有关概念。 3.化学致癌过程各阶段及其特征。 4.用于判别化学物致癌性的方法。,本章思考题,外源化学物致癌作用,*,54,Take a break,外源化学物致癌作用,*,55,