外源化合物致癌作用

外源化合物致癌作用第1页/共78页第八章

外源化学物致癌作用Chemicalcarcinogenesis第2页/共78页近三十年以来，癌症发病数以年均3-5%的速度递增；3/4新增病例发生在新兴工业国家及发展中国家；癌症已成为人类第二位死因，超过艾滋病、结核、疟疾致死病例的总和；WHO要求各会员国制定国家癌症防控规划，指出“Ifyou’renotplanning,you’replanningtofail”—Dr.JohnR.Seffrin癌症已成为一个全球性公共健康问题第3页/共78页全球癌症状况2008

年,(IARC报告)全球恶性肿瘤新发病例1270万（2002-1090万）死亡病例760万（670)带瘤生存患者2460万发病率最高：肺癌、乳腺癌和大肠癌死亡率最高：肺癌、胃癌和肝癌患病率最高：乳腺癌

２００８年，５６％的新确诊癌症病人和６３％的死亡病例来自发展中国家第4页/共78页预计2030

年1320万人死于癌症确诊癌症病人将有大约2140万第5页/共78页我国改革开放以来，经济、社会、环境和生活方式发生了快速变化人口结构快速向老龄化转变在这一特定历史时期，中国癌谱将呈现特征性变化开始进入老龄化老龄社会中国癌症现状（1）全国老龄工作委员会:2013年底，全国60岁以上的老年人口将达到2亿，占人口总数的14.8%，今后每年将增加约1000万老年人口，预计到2053年达到4.87亿人。第6页/共78页IARC报告:2008年282万（2012-220万）新发病例196(2002-160)万死亡病例中国癌症现状（2）第7页/共78页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、健康状况主要的环境因素：食物、环境污染、职业和生活方式一般估计，80%-90%的人类肿瘤与环境有关，其中主要是化学因素第8页/共78页肿瘤是可以预防的要降低肿瘤的发病率，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物致癌作用具有非常重要意义第9页/共78页目的要求掌握致癌作用概念并了解其机制熟悉致癌化学物分类熟悉致癌作用评价方法第10页/共78页第一节化学致癌过程Mechanismsofchemicalcarcinogegesis第11页/共78页毒理学中“癌”－肿瘤Tumor：指有分裂潜能的细胞受到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。上皮细胞恶性病变---癌间质细胞恶性病变---肉瘤良性肿瘤第12页/共78页13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第13页/共78页化学致癌物（chemicalcarcinogen）:具有致癌作用的化学物质化学致癌作用（chemicalcarcinogensis）:化学物质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英国的烟囟清扫工阴囊癌多环芳烃化合物（3,4苯并芘、…）第14页/共78页（进展）第15页/共78页多因素、多基因参与的多阶段过程

q-长臂；p－短臂正常细胞必须通过肿瘤相关基因遗传改变的积累才能形成癌细胞APC、DCC、p53---抑癌基因，Ras---癌基因第16页/共78页20s世纪40年代，Rous、Mottram和Bernblum等分别试验i亚致癌剂量的多环芳烃，皮肤涂抹，（DMBA:二羟甲基丁酸）P巴豆油（其中有促长作用的有效成分为佛波醇酯（TPA））第17页/共78页

➢肿瘤发生是一个长期的、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。

➢化学致癌过程至少可分为:

引发（initiation）促长（promotion）进展（progression）细胞癌变的多阶段学说第18页/共78页1.引发阶段（Initiation)。2.促长阶段（Promotion)3.进展阶段（Progression)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生突变细胞生长速度快侵袭性和转移能力强生理生化和免疫性状改变第19页/共78页1、引发阶段引发（启动）是遗传毒性发生的过程，是化学致癌的第一步。致癌物直接作用于DNA，引起基因突变，使单个或少量细胞发生永久性的、不可逆的遗传性改变，成为突变细胞，或称“启动细胞”，诱发细胞突变的因素称为引发剂（启动剂）。启动细胞的表型可能正常，它必须通过克隆扩增才能形成良性损伤。在接触致癌物与发生细胞转化之间要有一个相当长的潜伏期，需要启动效应的遗传传递。第20页/共78页1.引发阶段（Initiation)2.促长阶段（Promotion)3.进展阶段（Progression)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引发阶段的主要特征➢不可逆➢需要通过细胞分裂加以固定➢剂量-反应显示没有可测定的阈值，无可测定的最大反应➢存在自发的引发作用➢对外源性化学物质和其他化学因素敏感➢引发作用必须发生在促长作用之前，“纯”引发作用在无促长时不导致肿瘤第21页/共78页2、促长阶段细胞在致癌物的作用下变成启动细胞后，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，形成镜下或肉眼可见的细胞群，即良性肿瘤（如乳头状瘤或腺瘤）。促长价段癌细胞的表型发生变化，恶性肿瘤细胞的各种性状得以表达。起促进作用的因素称为促长剂或促癌剂。促癌剂包括多种人类环境中存在的因子，如TCDD、苯巴比妥，以及高盐高脂饮食、糖精、香烟烟雾等。其中烟雾既是肺癌、胰腺癌、食道癌和其它器官癌的启动剂，同时也是促癌剂。人体内的一些内源性物质也具有促癌作用，如雌激素对乳腺癌有促进作用；胆酸是结肠癌与肝癌的促进剂。第22页/共78页促癌剂的作用机理：①通过细胞毒性或激素作用刺激细胞增殖。如高脂肪饮食可使乳腺癌的发病率增高，原因是高脂肪饮食可使催乳素分泌增多，而催乳素对乳腺癌的发生有促进作用。②抑制细胞间的信息互通，从而解除细胞生长的接触抑制，使启动了的细胞能逃脱周围正常细胞的抑制，出现增殖失控。③免疫抑制。第23页/共78页1.引发阶段（Initiation)2.促长阶段（Promotion)3.进展阶段（Progression)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促长阶段的主要特征➢可逆性➢促长剂通常是非致突变物，需要持续和反复暴露➢促长剂的有效性仅出现在引发作用之后➢促长细胞群的存在取决于促长剂的持续存在➢内源性促长剂可起自发促长作用➢剂量-反应显示有可测定的阈值，有可测定的最大效应➢对饮食和激素等因素敏感➢促长作用的相对效力取决于达到最大效应的时间和剂量速率第24页/共78页3、进展阶段

➢指在肿瘤形成过程中，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恶性肿瘤的生物学特征，如生长速度、侵袭性、转移能力、以及生理生化、免疫性能的改变等。➢当细胞开始失去维持核型稳定的能力并出现染色体畸变时，它们即进入进展期。核型不稳定性进一步促进肿瘤细胞的生长和恶性表型的发展，同时引起细胞代谢调节功能的改变，且逃避机体免疫监视等功能。第25页/共78页1.引发阶段（Initiation)2.促长阶段（Promotion)3.进展阶段（Progression)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进展阶段的主要特征➢不可逆➢伴随生长率和侵袭性的增加出现核型异常，核型不稳定性导致细胞基因组结构的形态学改变➢有可测定的和/或形态学可描述的细胞基因组的改变➢进展的早期阶段对环境因素敏感➢可见良性和/或恶性肿瘤➢促展剂可促进细胞进入该阶段，但可能不是引发剂➢可以发生自发的进展作用第26页/共78页第27页/共78页第二节化学致癌机制第28页/共78页

化学致癌作用：多因素、多基因参与的多阶段过程。➢遗传机制学派（genetictheory）：亲电子剂学说、体细胞突变学说、癌基因学说、癌变的阶段学说➢

表观遗传机制学派（epigenetictheory）

第29页/共78页第30页/共78页化学物致癌机理：

(1)亲电子剂学说

(2)染色体异常学说

(3)癌基因学说

(4)细胞异常增生、免疫抑制

(5)癌变的表遗传学机制

(6)癌变的阶段学说指非基因序列改变所致基因表达水平变化:DNA甲基化/组蛋白修饰/染色质重塑/非编码RNA突变第31页/共78页代谢酶须在体内代谢活化（母体化合物）a.直接致癌物b.间接致癌物的活化代谢产物前致癌物→近致癌物→终致癌物第32页/共78页主要解毒物终致癌物亲电子代谢物第33页/共78页1971年Miller提出直接致癌物（directcarcinogen）间接致癌物终致癌物(ultimatecarcinogen)第34页/共78页亲电剂与生物大分子（如DNA）亲核物结合→形成加合物→DNA损伤→部分细胞恶性转化→肿瘤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，但有一共同特点：均为亲电子剂。第35页/共78页依据：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转变为亲电子的代谢物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和致癌物的相互作用可活化肿瘤基因DNA加合物可作为人类接触环境致癌物的生物标记物DNA加合物是引起肿瘤的直接原因之一第36页/共78页√对DNA损伤而引起肿瘤的遗传毒性机制√对DNA以外靶分子作用的非遗传毒性机制从本质上说，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作用的，肿瘤是细胞中多种基因突变累积的结果。第37页/共78页1920年Roreri提出恶性肿瘤细胞起源于一个染色体不平衡的细胞

一个世纪前,两位德国科学家发现,染色体紊乱可能是癌症的直接成因,但这一发现没有得到应有的关注,因为科学界的主流观点认为,基因突变才是引起癌症的真正原因,染色体紊乱只是癌症发生的结果。随着检测技术的进步,越来越多的发现和证据与主流理论背道而驰。

致癌剂的实际作用是导致非整倍化

染色体的改变方式只与长出肿瘤的组织有关,而与患者没有太大的关系。这就是说,某一组织的细胞要发生癌变,染色体必须发生一定的改变,才能使细胞摆脱遗传程序的束缚。因此,非整倍体细胞要走上恶变之路,染色体变异就是最基本的条件。第38页/共78页第39页/共78页致癌物质会随机地造成染色体的损伤和有丝分裂的故障，受此影响的分裂细胞就会无法平均分配染色体，使两个子细胞都变成非整倍体细胞。大多数非整倍体细胞都不能存活，但存活下来的细胞继续分裂。轻度非整倍体细胞及其子代细胞会逐步丧失正常功能，但还没有导致大量增值。细胞内染色体数目异常造成了更多染色体损伤和混乱，于是每一代子细胞越加不稳定，并逐步发展出恶性细胞的特征。第40页/共78页第41页/共78页癌基因

20世纪60年代初,很多著名科学家都认为,病毒是引发绝大多数肿瘤的罪魁祸首。当时发现,一些病毒感染细胞后,会将自身的遗传物质插入细胞的基因组,引起细胞的恶性转化和异常增殖,最终导致白血病等癌症。

逆转录病毒的研究对于阐明人类癌症的发生机理具有重要意义。逆转录病毒的基因组中除了病毒本身复制所必需的基因，如编码病毒核心蛋白（gag）、外壳糖蛋白（env）及逆转录酶（pol）等的基因外，还包括一个能引起细胞恶性转化的基因。这种基因就是现在为人们所熟知的癌基因（oncogene，onc）。由于最初是在病毒中发现的，所以称之为病毒癌基因（v-onc）。后来发现，在许多动物的正常细胞中都存在着与v-onc相对应的DNA序列，称之为原癌基因（proto－oncogene）或细胞癌基因（c-onc)

第42页/共78页原癌基因癌基因突变致癌物癌变原癌基因与癌基因关系“原癌基因”(proto-oncogene）就像一颗颗“定时炸弹”,埋藏在人类基因组里,随时可能爆发，一旦发生突变,原癌基因就会变成癌基因第43页/共78页

1.细胞癌基因在长期进化过程中极为保守，在无脊椎动物（如果蝇）的基因组中就可以找到与哺乳动物细胞癌基因基本上同源的序列。所以实际上在正常情况下，细胞癌基因不仅对机体无害，而且可能在发育过程中，以至于对生命的维持起着重大的作用2.细胞癌基因在正常细胞中可以有低水平的表达，而在癌组织中与其相对应的活化癌基因的表达水平却比它高的多。

现有资料表明：第44页/共78页抑癌基因（anti-oncogene）又称肿瘤抑制基因（tumorsuppressorgene），指对细胞生长、增殖和分化起负性调节的基因抑癌基因失活→→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野生型抑癌基因的功能是使正常细胞以及肿瘤细胞分化避免增值过多（减少增值和/或诱导分化和增加凋亡）第45页/共78页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两个等位基因都必须失活才能改变细胞表型第46页/共78页（原癌基因）第47页/共78页第48页/共78页癌基因、抑癌基因与生长因子的关系癌基因抑癌基因细胞生长因子正调控负调控产物终末分化增殖第49页/共78页化学致癌过程第50页/共78页完全致癌物： 兼有引发、促长和进展作用的化学物第51页/共78页外来化学物与人体接触大多数经代谢解毒排泄非遗传毒性化合物直接致癌物少数经代谢活化终致癌物直接或间接诱导有丝分裂、促进细胞过度增殖作用于大分子DNA损伤修复DNA加合物形成、癌基因与抑癌基因的改变引发细胞逃避细胞免疫监视促癌物癌前病变肿瘤多阶段致癌理论图解第52页/共78页化学致癌多基因、多因素参与的多阶段理论化学致癌物癌基因抑癌基因DNA修复基因代谢酶基因凋亡基因抗凋亡基因外源性因素

理化生物因素、营养等内源性因素遗传、免疫、激素、精神等生物体

引起癌基因、抑癌基因等发生点突变、扩增、易位、重排、缺失等使癌基因活化，抑癌基因失活，导致细胞的增殖、分化、凋亡异常引起肿瘤

第53页/共78页第三节化学致癌相关的分子事件端粒调控与细胞永生化细胞调控周期紊乱细胞凋亡与肿瘤发生第54页/共78页第四节化学致癌物分类第55页/共78页

IRAC分类 按化学致癌作用模式和机制分类按对人和动物致癌性的其它分类第56页/共78页

人类致癌 动物致癌 证据 证据1组（致癌物） 充分2组（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组（目前无法分类）不足 不足4组（可能是非致癌物）没有 没有 第57页/共78页根据致癌物对人类和动物的致癌性分类（国际癌症研究中心IARC，至2012年1月共评价927种）组1，对人类是致癌物。对人类致癌性证据充分。有107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。对人类致癌性证据有限，对动物致癌性证据充分。有58种；组2B，对人类是可能致癌物。对人类致癌性证据有限，对动物致癌性证据并不充分；或对人类致癌性证据不足，对动物致癌性证据充分。有249种；组3，现有证据不能对人类致癌性分类。有512种；组4，对人类可能是非致癌物，有1种（己内酰胺）。第58页/共78页遗传毒性致癌物化学致癌作用模式直接致癌物：不经过代谢活化就具有活性间接致癌物：必须经过代谢活化才具有致癌性促癌剂：本身不致癌，但对致癌物有促进作用物质表观遗传毒性致癌物促癌剂、细胞毒物、激素、免疫抑制剂、固态物质暂未确定遗传毒性的致癌物第59页/共78页（表观）第60页/共78页第61页/共78页第六节

化学致癌物筛查的基本方法第62页/共78页化学致癌物判断的证据1.人群流行病学调查：必须具备两项以上由不同研究者在不同地点、不同对象中以不同调查方法获得的结论相符的证据2.动物实验证据：至少有两项按现行常规设计进行，符合GLP，在不同物种动物所得结果一致的动物致癌物鉴定资料第63页/共78页基本方法定量构效关系分析：特定结构、空间构象—生物学效应（生物信息学）短期试验—快速筛查致突变试验、细胞转化试验、哺乳动物短期致癌试验哺乳动物长期致癌试验人群流行病学调查

第64页/共78页一、短期试验（一）致突变试验：①基因突变试验：Ames试验...②染色体畸变试验：体外细胞系细胞遗传学分析，小鼠骨髓微核试验，大鼠骨髓染色体畸变试验;③原发性DNA损伤：DNA加合物，链断裂，DNA修复诱导(细菌SOS反应，大鼠肝UDS诱导)，SCE试验；④体外细胞转化：叙利亚地鼠胚胎细胞，Balb/c3T3细胞

第65页/共78页（二）细胞转化试验受试物与正常细胞在体外接触，如有致癌作用，可使正常细胞形态、功能发生变化，发生与癌细胞相似的过程恶性转化后的细胞接种在裸鼠皮下可形成肉眼可见的肿瘤可以弥补致突变试验的不足：可检测遗传毒和非遗传毒致癌物第66页/共78页（三）哺乳动物短期致癌试验哺乳动物短期致癌试验又称为有限体内试验，指时间有限(数月)，靶器官有限。较受重视的短期致癌试验有下列四种：1．小鼠皮肤肿瘤诱发试验：引发剂为致癌性多环芳烃，促长剂为佛波醇酯(TPA)。2．小鼠肺瘤诱发试验：引发剂为乌拉坦，促长剂为二丁基经基甲苯(BHT)。3．大鼠肝转化灶诱发试验:

引发剂为二乙基亚硝胺(DEN)，促长剂为苯巴比妥(PB)4．雌性大鼠乳腺癌诱发试验

此四个试验不是成组试验，应根据受试物的特点选择使用。此四个试验任一试验得到阳性结果的意义与长期动物致癌试验相似，但阴性结果并不能排除受试物的致癌性。适用于按照构效关系能预测靶器官的受试物第67页/共78页何时应考虑进行致癌性评价：

①人体可能长期暴露于该化学物；②该化学物或其代谢物的化学结构与已知致癌物相似；③反复染毒毒性试验提示该化学物可能产生癌前病变。如在3种遗传毒理学短期试验均得到阳性结果，可预测为遗传毒性致癌物；如在3种遗传毒理学短期试验均得到阴性结果，可预测为非遗传毒性非致癌物；如经5种遗传毒理学短期试验仍不能预测其致癌性的化学品，应优先进行哺乳动物致癌试验。第68页/共78页二、哺乳动物长期致癌试验期限：

长期或终生大鼠－2年小鼠－1.5年动物：敏感动物（两种）刚断乳或断乳不久雌雄各半每组每性别50只，希望在第1个肿瘤出现时，每组还有不少于25只动物剂量：3个染毒组无作用剂量组阈剂量组发生肿瘤剂量组1个对照组1个溶剂组（必要时）第69页/共78页第70页/共78页结果观察、分析与评定肿瘤总发生率(％)＝(实验结束时患肿瘤动物总数/有效动物总数)×100％有效动物总数指最早发现肿瘤时存活动物总数致癌试验常用指标：1.肿瘤发生率：最重要指标2.多发性：一个动物出现多个肿瘤或一个器官出现多个肿瘤3.潜伏期：通常用各组第一个肿瘤出现时间为该组潜伏期肿瘤总发生率、恶性肿瘤总发生率、各器官或组织肿瘤发生率和恶性肿瘤发生率，各病理类型肿瘤发生率…第71页/共78页应着重报告发现肿瘤的部位、数量、性质、癌前病变，以及其他毒性效应；应报告剂量—反应关系及统计学分析结果。同时重视染毒组出现而对照组未出现的肿瘤类型如在动物组织中观察到良性和恶性肿瘤，并有良性肿瘤向恶性化进展的证据，在进行统计学分析之前将良性和恶性肿瘤合并是适宜的，但仍希望分别对良性和恶性分别统计处理。评价该试验不同