化学致癌作用毒理学基础

化学致癌作用

ChemicalCarcinogenesis

第一节化学致癌物及其分类Definitions:化学致癌物能引起动物和人类肿瘤，增加其发病率或死亡率的化合物。化学致癌作用指化学致癌物在体内引起正常细胞发生良、恶性肿瘤的过程按作用机制分类遗传毒性致癌物（genotoxiccarcinogens）指进入细胞后与DNA共价结合，引起机体遗传物质改变，导致癌变发生的化学物质。大多数化学致癌物直接致癌物（directcarcinogens）间接致癌物（indirectcarcinogens）化学致癌物分类按作用机制分类各种致癌性烷化剂和金属致癌物02直接致癌物（directcarcinogen）这类化合物进入机体后，不需体内代谢活化而直接与细胞生物大分子（DNA，RNA，蛋白质）作用而诱导细胞癌变。01化学致癌物按作用机制分类遗传毒性致癌物010203遗传毒性致癌物间接致癌物（indirectcarcinogen）这类化合物进入机体后需经细胞内微粒体混合功能氧化酶代谢活化后才具有致癌性。多环芳烃类、芳香胺类、亚硝胺类、致癌性霉菌毒素和某些食物的热裂解产物等化学致癌物按作用机制分类前致癌物近致癌物终致癌物代谢酶代谢酶前致癌物（precarcinogen）未经代谢活化的间接致癌物；近致癌物（proximatecarcinogen

）在体内经过初步代谢转变为化学性质活泼但寿命短暂的间接致癌物；终致癌物（ultimatecarcinogen）近致癌物进一步代谢活化，转变为带正电荷的亲电子物质，能与DNA发生反应。非遗传毒性致癌物（nongenotoxiccarcinogens）也称外遗传性致癌物（epigeneticcarcinogen），指不作用于机体遗传物质的化学致癌物。主要是促进细胞过度增殖。01促癌剂、免疫抑制剂、石棉、激素01化学致癌物按作用机制分类第二节化学致癌物的代谢活化

化学致癌物机体Ⅰ相反应（phaseⅠreaction）Ⅱ相反应（phaseⅡreaction）氧化反应（oxidation）还原反应（reduction）水解反应(hydrolysis）与谷胱甘肽结合与葡萄糖醛酸结合与硫酸结合羟化代谢产物与谷胱甘肽、葡萄糖醛酸、硫酸结合由尿和胆汁排出黄曲霉毒素B1（aflatoxinAFB1）肝脏代谢脱甲基、羟化、环氧化反应环氧化反应产物终致癌物黄曲霉毒素B1，2，3-环氧化物可与DNA脱氧鸟嘌呤第7位N结合形成加合物BayregionK-region多环芳烃（polycyclicaromatichydrocarbons，PAH）苯并（a）芘[benzo(a)pyrene，BP]代谢羟化、环氧化反应羟化代谢产物与谷胱甘肽结合排出环氧化反应主要终致癌物7，8-二醇9，10-环氧苯并（a）芘可与DNA结合N-亚硝胺（nitrosamines）二甲基亚硝胺（dimethynitrosamineDMA）代谢脱甲基、脱亚硝基反应脱亚硝基代谢P450催化下生成醛和胺脱甲基代谢终致癌物甲基碳宾离子可使核酸和蛋白质的亲核部位甲基化可在多种组织、器官中进行，具有组织器官特异性，主要以肝脏为主以氧化过程为主，形成的终致癌物具有亲电子性，能与DNA结合，造成DNA损伤，引起突变，诱发肿瘤人和动物对化学致癌物的代谢在种属、品系、家族和个体上的差异与遗传因素决定的代谢酶系的多态性有关，致癌物代谢酶的活性因人而异，个体间可相差30-100倍，个别的甚至可以达到1000倍010203化学致癌物的代谢活化化学致癌物的代谢特点：化学致癌物与生物大分子的作用1细胞程序性死亡与化学致癌2化学致癌的非遗传机制3化学致癌的多阶段过程4第三节化学致癌作用机制化学致癌物与生物大分子的作用DNA加合物的形成与DNA形成加合物是启动致癌作用的化合物的一个重要特征DNA加合物形成的后果取决于加合物在DNA链上的位置和加合物的性质G（鸟嘌呤）-C（胞嘧啶）N1（G）氢键N3（C）加合物位于G的O6位置N2（G）氢键N1（T）G（鸟嘌呤）-T（胸腺嘧啶）（错配）化学致癌作用/化学致癌机制癌基因、原癌基因与抑癌基因癌基因（oncogene）一类能引起细胞恶性转化及癌变的基因，是化学致癌物作用的主要靶分子，在细胞癌变过程中起关键作用。癌基因激活或过量表达肿瘤发生原癌基因（proto-oncogene）指机体内正常细胞所具有的能致癌的遗传信息。原癌基因突变激活癌基因肿瘤发生抑癌基因（anti-oncogene）这类基因的作用方式和癌基因相反，它们在正常细胞中起着抑制细胞增殖和促进分化的作用，又被称为肿瘤抑制基因（tumorsuppressorgene）、肿瘤易感基因（tumorsusceptibilitygene）。抑癌基因纯合缺失或失活细胞恶性转化肿瘤发生化学致癌机制/化学致癌物与生物大分子的作用化学致癌机制/化学致癌物与生物大分子的作用DNA损伤的修复正常细胞有DNA修复系统，使受损伤的DNA分子迅速恢复正常，使细胞的遗传稳定性和正常功能得以保持而不致发生恶变化学致癌物作用于机体能否引发癌症既取决于它们对体内生物大分子尤其是DNA的损伤，也取决于机体对损伤DNA的修复能力DNA损伤修复缺陷在化学致癌机制中也起重要作用可促进基因型巳发生改变的细胞增生通过转录与翻译改变基因的表达而起作用，对DNA的初级序列没有影响不会造成遗传物质DNA的损伤，但能通过促进细胞的分裂增殖而诱发肿瘤直接作用是指直接刺激细胞分裂的作用间接作用是指某些非遗传毒性致癌物，虽然没有直接刺激细胞分裂增殖的作用，但有明显的细胞毒性，引起细胞变性坏死，机体细胞再生，从而间接刺激细胞的增殖，最终导致细胞恶变及癌变化学致癌的非遗传机制化学致癌作用/化学致癌机制细胞凋亡（apoptosis）的概念一种不同于坏死的细胞死亡方式，即细胞在一定的生理或病理条件下，遵循自身的程序，通过内部机制的启动，主要通过核酸内切酶的激活，自己结束其生命过程。细胞程序性死亡（programmedcelldeath，PCD）PCD与肿瘤发生的关系PCD可能是消除突变细胞或癌变细胞的途径之一启动细胞要发展成可见肿瘤必须改变自身对于PCD的反应，以便能逃脱这种清除任何一种机制若能使经致癌物损伤的细胞更多地存活下来，都会增加致癌的危险性细胞凋亡与化学致癌化学致癌作用/化学致癌机制细胞死亡及细胞增殖----有丝分裂增加与癌症发生细胞死亡能引起周围增生，导致有丝分裂的增加，可能导致分裂中细胞的发生次级突变从而也可引起癌症。0102细胞分裂与调亡紊乱所引起的癌症发生细胞存活与细胞调亡平衡的破坏。TCDD、TPA（组织性纤溶酶原激活剂）、戊巴比妥等均能抑制细胞的调亡，从而引起细胞生长、增生、癌症。细胞信号介导的癌症发生：磷酸脂酶。DNA的氧化损伤：辐射、脂质过氧化促进剂、多酚等化学物（氧化应激）化学致癌的多阶段过程化学致癌作用/化学致癌机制致癌物直接作用于DNA的初级序列，引起基因突变，使单个细胞或少量细胞发生永久性的、不可逆的遗传性改变，此种细胞称为“启动细胞”（initiatedcell），诱发细胞突变的因素称为启动剂。启动阶段/引发阶段1细胞在致癌作用的第一阶段变成启动细胞后，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，形成镜下才能观察到的或有时肉眼可见的细胞群，即良性肿瘤，这就是致癌作用的第二阶段，称为促进阶段，起促进作用的因素称作促进剂或促癌剂。促进阶段/促长阶段2启动剂和促进剂在化学致癌过程中的协同作用及其后果（啮齿类动物实验模型）化学致癌机制/化学致癌的多阶段过程演变阶段/进展阶段演变过程使原本彼此都一样的肿瘤细胞变成在遗传表型上是异质的恶性肿瘤细胞有些化学致癌物同时具有启动、促进和演变的作用，称为完全致癌物启动和促进两个阶段所引起的良性损伤并不是致死性的短期试验动物致癌试验人类流行病学调查第四节观察化学毒物致癌作用的基本方法细菌回复突变试验（Ames试验）、染色体畸变试验、微核试验、姐妹染色单体交换试验（SCE）致突变试验细胞形态、生长能力、生化等表型改变移植于动物体内形成肿瘤的能力常用叙利亚仓鼠胚胎细胞小鼠成纤维细胞皮肤、器官、肝等器官组织上皮细胞体外培养细胞恶性转化试验0102短期试验转染细胞和转基因动物试验转染细胞和转基因动物试验转染细胞将原癌基因或活化癌基因导入细胞，观察致癌物对细胞生长的影响将人类的P450基因导入动物来源的缺乏此酶系的细胞中，形成具有与人相同的对潜在化学致癌物代谢能力的细胞转基因动物通过增强或抑制某个基因的表达，了解这个基因的功能人为地把某个基因及其相关基因组插入或者把某个基因从基因群中去除，这样得来的新品种称为转基因动物通过比较转基因动物和正常动物的生理、生化和病理指标，来确定这个基因的功能人类接触受试物后往往需要20年左右的潜伏期，动物试验一般进行1-2年可获阳性结果能严格控制试验条件，排除流行病学不易控制的许多混杂因素的影响优点1缺点动物试验结果外推至人存在不肯定性2动物致癌试验受试物优先选择短期致癌试验阳性的化学物质

动物种属的选择，应考虑受试物可能作用的靶器官

大鼠肝癌小鼠呼吸道和肺肿瘤金黄仓鼠(或称金黄地鼠)、狗或猴膀胱癌靶器官无法估计大鼠和小鼠

染毒剂量应为最大耐受剂量(MTD)或1／2MTD试验组包括空白和溶剂对照

染毒途径选用与人类接触相同的方式

动物应选择自发肿瘤率低并且对致癌作用不应过分敏感

每剂量组每性别动物不得少于50只

哺乳动物长期致癌试验长期试验期限依据不同种属寿命而定，一般小鼠1.5-2年，大鼠2-2.5年转癌基因或前癌基因小鼠一种有望代替长期动物致癌的试验系统可观察致癌物与基因相互作用以及不同致癌阶段所起的作用这类方法对确认致癌物以及理解致癌机制很有帮助不适于作危险性评估啮齿类动物短期致癌试验小鼠肺肿瘤诱发试验大鼠肝转移灶诱发试验小鼠皮肤肿瘤诱发试验雌性大鼠乳腺癌的诱发试验促癌剂的检查选用适当的低剂量启动剂，启动后1-2周开始用受试物染毒12以肿瘤的发病率或病死率作为观察终点多采用分析流行病学的方法（回顾性定群调查、病例对照调查的方法）调查结果为阳性+剂量-反应关系+得到动物试验的验证该化合物为人类致癌物调查结果为阴性不能完全确定受试物为非致癌物，可能是接触时间短或剂量低所致流行病学调查肿瘤流行病学调查内剂量测定细胞、组织、体液内某些致癌物或其代谢产物的含量，衡量接触的水平生物有效剂量进入体内的致癌物本身或其代谢产物与细胞内大分子相互作用的程度测定致癌物-DNA加合物/致癌物-蛋白质加合物，反映这些物质在体内作用于靶分子的水平生物标记物流行病学调查常见的损伤SCE、微核、染色体畸变、肿瘤基因突变、癌基因活化等生物效应标记反映致癌物对靶器官所造成的可能和肿瘤形成有关的损伤01参与致癌物活化与灭活的酶系多态性主要有细胞色素P450(I相反应)和谷胱甘肽硫转移酶(Ⅱ相反应)，这些酶系的个体差异可达十至数百倍，同样的接触水平所产生的生物有效剂量以及相应的生物效应会有很大差异，可以从无反应到严重反应(肿瘤形成)敏感性标记衡量致癌物作用个体差异的指标0201040203控制致癌物的接触已明确鉴定的人类致癌物或致癌因素避免或减少与之接触减少肿瘤发生高危人群的检出与保护化学预防第五节阻断化学致癌过程的一些途径高危人群的检出与保护高危个体常染色体显性遗传肿瘤(如视网膜母细胞瘤)家族成员杂合子常显有高度肿瘤好发倾向的疾病(如家族性肠道多发性息肉)的杂合子常隐有高度肿瘤好发倾向的疾病(如着色性干皮病，共济失调性毛细血管扩张症，先天性全血细胞减少症，Bloom综合征等)的病人及其杂合子有某些染色体异常的病人(如Down综合征)某些I相酶(如芳烃羟化酶)