第8章 化学致癌作用 卫生毒理学

化学致癌作用ChemicalCarcinogenesis2021年11月教学目的与要求1.掌握：化学致癌作用的机制化学致癌物的筛查方法2.熟悉：致癌物分类化学致癌物的多阶段开展理论DNA修复与致癌过程某些非突变机制与致癌过程近三十年以来，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开展中国家；癌症已成为人类第一或第二位死因，超过艾滋病、结核、疟疾致死病例的总和。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

癌症发病我国癌症死亡年份死亡数1994130万2000140万2025270万现今活着的12亿人口中预计2亿将死于癌症物理因素化学因素生物因素遗传因素肿瘤病因学化学因素：多环芳烃、芳香胺及偶氮染料类、亚硝胺类、植物毒素和金属类物理因素：电离辐射、阳光与紫外线、热辐射、机械剌激生物因素：病毒〔宫颈癌、鼻咽癌〕、霉菌毒素〔肝癌〕、寄生虫〔大肠癌、肝癌〕遗传因素化学致癌历史回忆1775年PottP发现扫烟囱男童阴囊癌发生与煤烟暴露相关；1888年HutchinsonJ报道长期接触亚砷酸钾引起皮肤癌；1915年YamagiwaK和IchikawaK用煤焦油涂抹兔耳诱发皮肤癌；1925-1932年，KennawaL从煤焦油中别离出多环芳烃；1941年BerenblumL发现巴豆油的促癌作用，提出致癌多阶段学说；1962-1968年发现DNA是致癌物结合的靶分子；1965年BerwaldY用化学致癌物诱导哺乳动物胚胎细胞恶性转化；1984年BalmainA报道化学致癌物诱导的小鼠皮肤癌中H-Ras基因被激活。化学致癌物分类■致癌物：〔carcinogen〕Ⅰ组：确证的人类致癌物:人类流行病+动物致癌Ⅱ组：动物致癌物(可能致癌物)：充分的动物实验证据Ⅲ组：可疑致癌物：动物实验与人类流行病不确证Ⅳ组：非致癌物：目前无致癌证据Group1:agentscarcinogenictohumans;充分证据,确定致癌物Group2A:agentsprobablycarcinogenictohumans;有限证据,可能致癌物Group2B:agentspossiblycarcinogenictohumans;有限证据,可疑致癌物Group3:agentsnotclassifiableascarcinogenictohumans;证据不充分Group4:agentsprobablynotcarcinogenictohumans.无证据国际癌症研究中心〔Internationalagencyforresearchoncancer，IARC〕最新公布的对人致癌性总评价表显示，已确证的人类致癌物为108种。://组1：108种〔4-Aminobiphenyl，Aristolochicacid马兜铃酸，Arsenic〕组2A：66种；组2B：248种组3：515种组4：1种〔己内酰胺〕致癌物分类〔续〕◆按作用机制诱导突变致癌物：以DNA为作用靶子的致癌物；非诱导突变致癌物:不改变DNA碱基序列

◆按作用模式机制直接致癌物(directcarcinogens)间接致癌物(indirectcarcinogens)促癌物〔promotor〕：如TPA致癌物或生产方式靶器官黄曲霉毒素肝〔肺〕4-氨基酚膀胱砷及砷化合物肺、皮肤石棉肺、胸膜、腹膜〔胃肠、咽部〕硫酸嘌呤淋巴系统、间质、肝胆系统、皮肤苯造血系统联苯胺膀胱N-N-双〔2-氯乙基〕-2-苯胺膀胱双氯甲醚及工业级氯甲甲醚肺1,4,丁二醇-二甲磺酸盐造血系统口服避孕药〔复合〕肝口服避孕药〔连续〕子宫氡及其裂变产物肺含石棉纤维的滑石肺硫替哌造血系统Treosulphan造血系统氯乙烯肝、血管〔肺、脑、淋巴系统〕酒精饮料咽、食管、肝、喉、口腔〔乳房〕含非那西丁的退热剂膀胱、肾含烟草的槟榔口腔、咽喉、食管煤焦油沥青皮肤、肺、膀胱〔咽、口腔〕煤焦油皮肤、肺〔膀胱〕矿物油〔轻度处理或不处理〕皮肤〔肺、膀胱、胃肠道〕页岩油皮肤〔胃肠道〕烟炱皮肤、肺烟草制品〔无烟〕口腔、咽、食管烟草制品〔有烟〕肺、膀胱、口腔、咽喉、食管、胰、肾铝生产肺、膀胱〔淋巴系统〕金胺生产膀胱〔前列腺〕鞋制造与修理鼻腔、造血系统〔咽、肺、肝、胃、肠道、膀胱〕煤气生产皮肤、肺、膀胱焦煤生产皮肤、肺、肾硬木家具生产鼻腔钢铁冶炼肺〔胃肠、生殖泌尿系统、造血系统〕异丙醇生产鼻腔〔咽〕品红生产膀胱职业油漆工肺橡胶业膀胱、造血系统〔肺、胃肠道、皮肤、淋巴系统〕致癌物或生产方式靶器官致癌物的代谢与灭活主要解毒物终致癌物亲电子代谢物化学致癌过程一个多因素、多基因参与的多阶段过程致癌的过程大致分为三个阶段：启动(initiation)促进(promotion)进展(progression)组织细胞的病理改变从增生、异型变、良性肿瘤、原位癌开展到浸润癌和转移癌；而在体外细胞水平上那么要经过永生化、分化逆转、转化等多个阶段。人体细胞转化试验

ST人体细胞动物细胞正常细胞永生化细胞转化细胞HahnWCNature,1999致癌过程有多种基因参与：1.原癌基因：Ras,Myc2.肿瘤抑制基因：P53,pRB3.凋亡相关基因：Bcl-24.DNA修复基因：BRCA1,MSH1,ATM人类结肠癌多阶段模型Vogelstein,B.,etal.Geneticalterationsduringcolorectal-tumordevelopment.N.Engl.J.Med.319:525,1988.

DNAadduct,DNArepair,Chromosomestability,Oncogeneactivation,TumorsuppressorgeneinacticationApoptosis,TelomeredynamicsExposureCancerClinicalOutcomeMetabolic,cellcycle,cellproliferation化学致癌作用的机制化学致癌机理： 一、亲电子剂学说 二、体细胞突变学说 三、癌基因学说 四、癌变的阶段学说体细胞突变学说

理论依据：致癌物活化代谢后生成的DNA加合物诱导基因突变；大多数的致癌物在致突变实验中呈阳性；DNA修复缺陷可以导致肿瘤发生，如着色性干皮病、毛细血管扩张性共济失调等；在许多肿瘤组织中发生染色体畸变或基因组不稳定性；肿瘤细胞来源于单细胞克隆；癌基因的突变以及抑癌基因突变或缺失在肿瘤细胞中普遍存在，而且突变的基因型可以通过细胞分裂传递给子代细胞。化学致癌物诱发的肿瘤与特定的基因改变有关与化学致癌物类型有关烷化剂引起GA置换苯并芘引起GT颠换与肿瘤类型有关肺癌K-Ras基因常见GT颠换结肠癌K-Ras基因常见GA置换原发肝癌p53基因常见249GT颠换结肠癌p53基因常见GA置换不同器官来源、不同组织类型、临床阶段以至同一种肿瘤在不同地区所见的遗传变化是不同的。多种环境致癌物，致癌因子或条件可协同作用：体内：活性氧或感染等+体外：致癌物累积作用或协同效应个体的不同遗传背景对肿瘤的发生开展有重要影响：DNA修复能力缺陷→肿瘤易感什么是癌基因〔oncogene〕?细胞中与v-src基因近缘的基因；指机体内正常细胞所具有的能致癌的遗传信息，即癌基因的原型；在正常情况下，原癌基因呈静止状态，对细胞无害且具有重要生物学功能，如调节细胞生长、分化、增殖等功能。癌基因的分类与功能按功能分：1、生长因子家族v-Sis2、跨膜酪氨酸激酶v-Ros3、膜相关酪氨酸激酶v-Src4、丝氨酸-苏氨酸激酶v-Raf5、RAS家族v-H-Ras,v-K-Ras6、核蛋白-v-Myc,v-Fos癌基因RAS按细胞内定位和生物学功能分类：1.生长因子,Int-22.生长因子受体,EGFR3.信号传导分子,Fas4.转录因子,Myc5.细胞凋亡基因,Bcl-26.细胞周期蛋白,CDK4肿瘤DNA转化与癌基因的鉴定TumorCellDNAextractionDNAfromtumorcellsNIH3T3CellsScreeningaftertransformationTransformingcellsTransforminggenes癌基因变异方式和活化点突变与癌基因

DNA扩增与癌基因癌基因甲基化的改变染色体重排与癌基因肿瘤发生与基因突变的关系基因功能缺陷基因功能异常慢性粒细胞性白血病〔CML〕抑癌基因(TumorSuppressorGene〕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;参与DNA修复和细胞凋亡等过程。遗传性肿瘤发病早，肿瘤表现为多发性或双侧性散发性肿瘤发病迟，肿瘤表现为单发性或单侧性Knudson：

twohithypothesis

抑癌基因：p53基因生物学特性p53是细胞生长周期中的负调节因子，与细胞周期的调控、DNA修复、细胞分化、细胞凋亡等重要的生物学功能有关。低氧p53DNA损伤（如辐射）癌基因的激活p21抑制周期蛋白依赖性激酶（CDK)阻断细胞周期运行DNA修复DNA不能修复细胞重新进入细胞周期细胞凋亡ExonCodonPAHadductsCigarettemutationsSmokycoalmutations5154156157158159++++++++7237245248249+++++++8273+++CancerResearch61:6679-6681,2001p53基因突变热点肿瘤型突变频率（%）突变热点肿瘤型突变频率（%）突变热点肺癌56157，248，273前列腺癌30不确定结肠癌50175，245，248，273肝细胞癌45249食道癌45不确定胶质癌25175、248卵巢癌44273乳腺癌22175、248、273胰腺癌44273子宫内膜癌22248皮肤癌44248、278甲状腺癌13248、273胃癌41不确定白血病12175、248头颈鳞癌37248宫颈癌7273膀胱癌34280软组织肉瘤31不确定人类肿瘤p53基因突变热点和频率非致突变致癌机制：表观遗传变异

细胞异常增生免疫抑制激素调控异常过氧化酶体增殖剂激活受体

表观遗传的主要调控方式

DNA甲基化

组蛋白修饰染色质重塑非编码RNA(microRNA,siRNA)FeinbergA,Nature.2007May24;447(7143):433-40表观遗传调控整个基因组的普遍低甲基化局部基因启动子区CpG岛高甲基化基因的异常激活或抑制基因组不稳定性增加印记丧失肿瘤细胞DNA甲基化特征和后果遗传和表观遗传方式调控癌基因表达ByCostelloJFetal.,2001与化学致癌相关的分子事件基因突变端粒调控与细胞永生化细胞增殖细胞周期调控紊乱细胞凋亡与肿瘤发生细胞永生化是癌变过程中的重要阶段细胞周期失调、端粒酶活化、癌抑基因失活端粒假说TelomereGeneticClockTelomerase2.细胞周期失调

细胞周期关卡(cellcyclecheckpoint)

SMG2G1Cellcycle静止期(G0)G2G1SMCellcyclecyclinscyclinsCDKcyclinsCDKCDKIG2G1SMCellcycleDPE2FDNAsynthesis-relatedgenesE2FRbPE2FCyclinD1CDK4RbPPPPPRbPPPPPE2FE2FE2FE2FDPE2FDNAsynthesis-relatedgenes细胞增殖与肿瘤发生细胞增殖分化异常与相关疾病增殖异常分化异常增殖分化异常再生障碍性贫血肥胖症恶性肿瘤白癜风遗传性血红蛋白病银屑病前列腺肥大肌营养不良畸胎瘤动脉粥样硬化先天畸形家族性红细胞增多症X-连锁-球蛋白缺乏症高IgM血症细胞过度增殖的本质是细胞周期调控异常细胞凋亡与肿瘤凋亡概念凋亡〔apoptosis)

是活体内单个细胞的死亡。与基因调节有关，也称为程序性细胞死亡(programmedcelldeath,PCD)，是由于细胞增殖与/或细胞死亡调控功能失调所致。细胞死亡的模式坏死凋亡凋亡的生理意义确保胚胎发生、器官发育调控正常细胞的数量机体自身保护和防御机制凋亡的病理意义凋亡过度Alzheimer病、肌萎缩凋亡缺乏恶性肿瘤化学毒物致癌性的判别必须具备两个方面的证据：1.人群流行病学调查要求：不同地点、不同对象、不同的调查方法2.动物实验要求：不同地点、不同动物种属GLP认证实验室进行从定性和定量两个方面进行致癌物判断的根本方法一、短期试验致突变试验组合细胞转化试验哺乳动物短期致癌试验：小鼠肺、皮肤肿瘤诱导、大鼠乳腺癌诱导、大鼠肝转变灶试验1485种化学物致突变试验和致癌试验结果一致性比较美国致癌性数据库

TheCarcinogenicPotencyDatabase(CPDB)

Ames实验致癌实验（大鼠）Ames实验和致癌实验都进行阳性阴性阳性率阳性阴性阳性率Ames阳性致癌阳性二者阳性34355638.15％34582529.49％343345238共899种共1170种共721种大鼠试验检测出的致癌物中Ames试验检出率为69.0%，Ames试验检出的致突变物中大鼠致癌试验的检出率为69.4%。可见化合物在大鼠实验中Ames实验和致癌实验的一致性较高。短期试验注意问题：▲阳性结果意义较大；▲阴性并不一定平安：一些化合物可对于啮齿类动物具有致癌作用，而Ames试验或其他诱变试验系统那么呈现阴性；▲Ames试验与动物试验相关显著性最高，特异性也最高，但敏感性最低；▲如何检出非诱变性致癌物？二、动物长期诱癌试验▲在判别化学物致癌性方面具有很高价值；▲与人群流行病学研究相比，更适于说明致癌机理，研究有关影响因素的作用；▲可严格控制实验条件；▲局限性：结果外推到人存在不肯定性。致癌物判断的根本方法〔续〕试验动物和条件选择〔一〕动物选择：种属、年龄、靶器官大鼠和小鼠，雌雄各50只〔二〕剂量设计 3个染毒剂量加上对照组无作用剂量组、阈剂量组、最高剂量组〔三〕试验期限与染毒时间试验动物和条件选择〔续〕〔四〕结