化學(xué)致癌作用毒理學(xué)基礎(chǔ)

化學(xué)致癌作用

ChemicalCarcinogenesis

第一節(jié)化學(xué)致癌物及其分類Definitions:化學(xué)致癌物能引起動物和人類腫瘤，增加其發(fā)病率或死亡率的化合物?；瘜W(xué)致癌作用指化學(xué)致癌物在體內(nèi)引起正常細(xì)胞發(fā)生良、惡性腫瘤的過程按作用機(jī)制分類遺傳毒性致癌物（genotoxiccarcinogens）指進(jìn)入細(xì)胞后與DNA共價結(jié)合，引起機(jī)體遺傳物質(zhì)改變，導(dǎo)致癌變發(fā)生的化學(xué)物質(zhì)。大多數(shù)化學(xué)致癌物直接致癌物（directcarcinogens）間接致癌物（indirectcarcinogens）化學(xué)致癌物分類按作用機(jī)制分類各種致癌性烷化劑和金屬致癌物02直接致癌物（directcarcinogen）這類化合物進(jìn)入機(jī)體后，不需體內(nèi)代謝活化而直接與細(xì)胞生物大分子（DNA，RNA，蛋白質(zhì)）作用而誘導(dǎo)細(xì)胞癌變。01化學(xué)致癌物按作用機(jī)制分類遺傳毒性致癌物010203遺傳毒性致癌物間接致癌物（indirectcarcinogen）這類化合物進(jìn)入機(jī)體后需經(jīng)細(xì)胞內(nèi)微粒體混合功能氧化酶代謝活化后才具有致癌性。多環(huán)芳烴類、芳香胺類、亞硝胺類、致癌性霉菌毒素和某些食物的熱裂解產(chǎn)物等化學(xué)致癌物按作用機(jī)制分類前致癌物近致癌物終致癌物代謝酶代謝酶前致癌物（precarcinogen）未經(jīng)代謝活化的間接致癌物；近致癌物（proximatecarcinogen

）在體內(nèi)經(jīng)過初步代謝轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)性質(zhì)活潑但壽命短暫的間接致癌物；終致癌物（ultimatecarcinogen）近致癌物進(jìn)一步代謝活化，轉(zhuǎn)變?yōu)閹д姾傻挠H電子物質(zhì)，能與DNA發(fā)生反應(yīng)。非遺傳毒性致癌物（nongenotoxiccarcinogens）也稱外遺傳性致癌物（epigeneticcarcinogen），指不作用于機(jī)體遺傳物質(zhì)的化學(xué)致癌物。主要是促進(jìn)細(xì)胞過度增殖。01促癌劑、免疫抑制劑、石棉、激素01化學(xué)致癌物按作用機(jī)制分類第二節(jié)化學(xué)致癌物的代謝活化

化學(xué)致癌物機(jī)體Ⅰ相反應(yīng)（phaseⅠreaction）Ⅱ相反應(yīng)（phaseⅡreaction）氧化反應(yīng)（oxidation）還原反應(yīng)（reduction）水解反應(yīng)(hydrolysis）與谷胱甘肽結(jié)合與葡萄糖醛酸結(jié)合與硫酸結(jié)合羥化代謝產(chǎn)物與谷胱甘肽、葡萄糖醛酸、硫酸結(jié)合由尿和膽汁排出黃曲霉毒素B1（aflatoxinAFB1）肝臟代謝脫甲基、羥化、環(huán)氧化反應(yīng)環(huán)氧化反應(yīng)產(chǎn)物終致癌物黃曲霉毒素B1，2，3-環(huán)氧化物可與DNA脫氧鳥嘌呤第7位N結(jié)合形成加合物BayregionK-region多環(huán)芳烴（polycyclicaromatichydrocarbons，PAH）苯并（a）芘[benzo(a)pyrene，BP]代謝羥化、環(huán)氧化反應(yīng)羥化代謝產(chǎn)物與谷胱甘肽結(jié)合排出環(huán)氧化反應(yīng)主要終致癌物7，8-二醇9，10-環(huán)氧苯并（a）芘可與DNA結(jié)合N-亞硝胺（nitrosamines）二甲基亞硝胺（dimethynitrosamineDMA）代謝脫甲基、脫亞硝基反應(yīng)脫亞硝基代謝P450催化下生成醛和胺脫甲基代謝終致癌物甲基碳賓離子可使核酸和蛋白質(zhì)的親核部位甲基化可在多種組織、器官中進(jìn)行，具有組織器官特異性，主要以肝臟為主以氧化過程為主，形成的終致癌物具有親電子性，能與DNA結(jié)合，造成DNA損傷，引起突變，誘發(fā)腫瘤人和動物對化學(xué)致癌物的代謝在種屬、品系、家族和個體上的差異與遺傳因素決定的代謝酶系的多態(tài)性有關(guān)，致癌物代謝酶的活性因人而異，個體間可相差30-100倍，個別的甚至可以達(dá)到1000倍010203化學(xué)致癌物的代謝活化化學(xué)致癌物的代謝特點(diǎn)：化學(xué)致癌物與生物大分子的作用1細(xì)胞程序性死亡與化學(xué)致癌2化學(xué)致癌的非遺傳機(jī)制3化學(xué)致癌的多階段過程4第三節(jié)化學(xué)致癌作用機(jī)制化學(xué)致癌物與生物大分子的作用DNA加合物的形成與DNA形成加合物是啟動致癌作用的化合物的一個重要特征DNA加合物形成的后果取決于加合物在DNA鏈上的位置和加合物的性質(zhì)G（鳥嘌呤）-C（胞嘧啶）N1（G）氫鍵N3（C）加合物位于G的O6位置N2（G）氫鍵N1（T）G（鳥嘌呤）-T（胸腺嘧啶）（錯配）化學(xué)致癌作用/化學(xué)致癌機(jī)制癌基因、原癌基因與抑癌基因癌基因（oncogene）一類能引起細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化及癌變的基因，是化學(xué)致癌物作用的主要靶分子，在細(xì)胞癌變過程中起關(guān)鍵作用。癌基因激活或過量表達(dá)腫瘤發(fā)生原癌基因（proto-oncogene）指機(jī)體內(nèi)正常細(xì)胞所具有的能致癌的遺傳信息。原癌基因突變激活癌基因腫瘤發(fā)生抑癌基因（anti-oncogene）這類基因的作用方式和癌基因相反，它們在正常細(xì)胞中起著抑制細(xì)胞增殖和促進(jìn)分化的作用，又被稱為腫瘤抑制基因（tumorsuppressorgene）、腫瘤易感基因（tumorsusceptibilitygene）。抑癌基因純合缺失或失活細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化腫瘤發(fā)生化學(xué)致癌機(jī)制/化學(xué)致癌物與生物大分子的作用化學(xué)致癌機(jī)制/化學(xué)致癌物與生物大分子的作用DNA損傷的修復(fù)正常細(xì)胞有DNA修復(fù)系統(tǒng)，使受損傷的DNA分子迅速恢復(fù)正常，使細(xì)胞的遺傳穩(wěn)定性和正常功能得以保持而不致發(fā)生惡變化學(xué)致癌物作用于機(jī)體能否引發(fā)癌癥既取決于它們對體內(nèi)生物大分子尤其是DNA的損傷，也取決于機(jī)體對損傷DNA的修復(fù)能力DNA損傷修復(fù)缺陷在化學(xué)致癌機(jī)制中也起重要作用可促進(jìn)基因型巳發(fā)生改變的細(xì)胞增生通過轉(zhuǎn)錄與翻譯改變基因的表達(dá)而起作用，對DNA的初級序列沒有影響不會造成遺傳物質(zhì)DNA的損傷，但能通過促進(jìn)細(xì)胞的分裂增殖而誘發(fā)腫瘤直接作用是指直接刺激細(xì)胞分裂的作用間接作用是指某些非遺傳毒性致癌物，雖然沒有直接刺激細(xì)胞分裂增殖的作用，但有明顯的細(xì)胞毒性，引起細(xì)胞變性壞死，機(jī)體細(xì)胞再生，從而間接刺激細(xì)胞的增殖，最終導(dǎo)致細(xì)胞惡變及癌變化學(xué)致癌的非遺傳機(jī)制化學(xué)致癌作用/化學(xué)致癌機(jī)制細(xì)胞凋亡（apoptosis）的概念一種不同于壞死的細(xì)胞死亡方式，即細(xì)胞在一定的生理或病理條件下，遵循自身的程序，通過內(nèi)部機(jī)制的啟動，主要通過核酸內(nèi)切酶的激活，自己結(jié)束其生命過程。細(xì)胞程序性死亡（programmedcelldeath，PCD）PCD與腫瘤發(fā)生的關(guān)系PCD可能是消除突變細(xì)胞或癌變細(xì)胞的途徑之一啟動細(xì)胞要發(fā)展成可見腫瘤必須改變自身對于PCD的反應(yīng)，以便能逃脫這種清除任何一種機(jī)制若能使經(jīng)致癌物損傷的細(xì)胞更多地存活下來，都會增加致癌的危險性細(xì)胞凋亡與化學(xué)致癌化學(xué)致癌作用/化學(xué)致癌機(jī)制細(xì)胞死亡及細(xì)胞增殖----有絲分裂增加與癌癥發(fā)生細(xì)胞死亡能引起周圍增生，導(dǎo)致有絲分裂的增加，可能導(dǎo)致分裂中細(xì)胞的發(fā)生次級突變從而也可引起癌癥。0102細(xì)胞分裂與調(diào)亡紊亂所引起的癌癥發(fā)生細(xì)胞存活與細(xì)胞調(diào)亡平衡的破壞。TCDD、TPA（組織性纖溶酶原激活劑）、戊巴比妥等均能抑制細(xì)胞的調(diào)亡，從而引起細(xì)胞生長、增生、癌癥。細(xì)胞信號介導(dǎo)的癌癥發(fā)生：磷酸脂酶。DNA的氧化損傷：輻射、脂質(zhì)過氧化促進(jìn)劑、多酚等化學(xué)物（氧化應(yīng)激）化學(xué)致癌的多階段過程化學(xué)致癌作用/化學(xué)致癌機(jī)制致癌物直接作用于DNA的初級序列，引起基因突變，使單個細(xì)胞或少量細(xì)胞發(fā)生永久性的、不可逆的遺傳性改變，此種細(xì)胞稱為“啟動細(xì)胞”（initiatedcell），誘發(fā)細(xì)胞突變的因素稱為啟動劑。啟動階段/引發(fā)階段1細(xì)胞在致癌作用的第一階段變成啟動細(xì)胞后，在某些因素作用下，以相對于周圍正常細(xì)胞的選擇優(yōu)勢進(jìn)行克隆擴(kuò)增，形成鏡下才能觀察到的或有時肉眼可見的細(xì)胞群，即良性腫瘤，這就是致癌作用的第二階段，稱為促進(jìn)階段，起促進(jìn)作用的因素稱作促進(jìn)劑或促癌劑。促進(jìn)階段/促長階段2啟動劑和促進(jìn)劑在化學(xué)致癌過程中的協(xié)同作用及其后果（嚙齒類動物實驗?zāi)Ｐ停┗瘜W(xué)致癌機(jī)制/化學(xué)致癌的多階段過程演變階段/進(jìn)展階段演變過程使原本彼此都一樣的腫瘤細(xì)胞變成在遺傳表型上是異質(zhì)的惡性腫瘤細(xì)胞有些化學(xué)致癌物同時具有啟動、促進(jìn)和演變的作用，稱為完全致癌物啟動和促進(jìn)兩個階段所引起的良性損傷并不是致死性的短期試驗動物致癌試驗人類流行病學(xué)調(diào)查第四節(jié)觀察化學(xué)毒物致癌作用的基本方法細(xì)菌回復(fù)突變試驗（Ames試驗）、染色體畸變試驗、微核試驗、姐妹染色單體交換試驗（SCE）致突變試驗細(xì)胞形態(tài)、生長能力、生化等表型改變移植于動物體內(nèi)形成腫瘤的能力常用敘利亞倉鼠胚胎細(xì)胞小鼠成纖維細(xì)胞皮膚、器官、肝等器官組織上皮細(xì)胞體外培養(yǎng)細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化試驗0102短期試驗轉(zhuǎn)染細(xì)胞和轉(zhuǎn)基因動物試驗轉(zhuǎn)染細(xì)胞和轉(zhuǎn)基因動物試驗轉(zhuǎn)染細(xì)胞將原癌基因或活化癌基因?qū)爰?xì)胞，觀察致癌物對細(xì)胞生長的影響將人類的P450基因?qū)雱游飦碓吹娜狈Υ嗣赶档募?xì)胞中，形成具有與人相同的對潛在化學(xué)致癌物代謝能力的細(xì)胞轉(zhuǎn)基因動物通過增強(qiáng)或抑制某個基因的表達(dá)，了解這個基因的功能人為地把某個基因及其相關(guān)基因組插入或者把某個基因從基因群中去除，這樣得來的新品種稱為轉(zhuǎn)基因動物通過比較轉(zhuǎn)基因動物和正常動物的生理、生化和病理指標(biāo)，來確定這個基因的功能人類接觸受試物后往往需要20年左右的潛伏期，動物試驗一般進(jìn)行1-2年可獲陽性結(jié)果能嚴(yán)格控制試驗條件，排除流行病學(xué)不易控制的許多混雜因素的影響優(yōu)點(diǎn)1缺點(diǎn)動物試驗結(jié)果外推至人存在不肯定性2動物致癌試驗受試物優(yōu)先選擇短期致癌試驗陽性的化學(xué)物質(zhì)

動物種屬的選擇，應(yīng)考慮受試物可能作用的靶器官

大鼠肝癌小鼠呼吸道和肺腫瘤金黃倉鼠(或稱金黃地鼠)、狗或猴膀胱癌靶器官無法估計大鼠和小鼠

染毒劑量應(yīng)為最大耐受劑量(MTD)或1／2MTD試驗組包括空白和溶劑對照

染毒途徑選用與人類接觸相同的方式

動物應(yīng)選擇自發(fā)腫瘤率低并且對致癌作用不應(yīng)過分敏感

每劑量組每性別動物不得少于50只

哺乳動物長期致癌試驗長期試驗期限依據(jù)不同種屬壽命而定，一般小鼠1.5-2年，大鼠2-2.5年轉(zhuǎn)癌基因或前癌基因小鼠一種有望代替長期動物致癌的試驗系統(tǒng)可觀察致癌物與基因相互作用以及不同致癌階段所起的作用這類方法對確認(rèn)致癌物以及理解致癌機(jī)制很有幫助不適于作危險性評估嚙齒類動物短期致癌試驗小鼠肺腫瘤誘發(fā)試驗大鼠肝轉(zhuǎn)移灶誘發(fā)試驗小鼠皮膚腫瘤誘發(fā)試驗雌性大鼠乳腺癌的誘發(fā)試驗促癌劑的檢查選用適當(dāng)?shù)牡蛣┝繂觿瑔雍?-2周開始用受試物染毒12以腫瘤的發(fā)病率或病死率作為觀察終點(diǎn)多采用分析流行病學(xué)的方法（回顧性定群調(diào)查、病例對照調(diào)查的方法）調(diào)查結(jié)果為陽性+劑量-反應(yīng)關(guān)系+得到動物試驗的驗證該化合物為人類致癌物調(diào)查結(jié)果為陰性不能完全確定受試物為非致癌物，可能是接觸時間短或劑量低所致流行病學(xué)調(diào)查腫瘤流行病學(xué)調(diào)查內(nèi)劑量測定細(xì)胞、組織、體液內(nèi)某些致癌物或其代謝產(chǎn)物的含量，衡量接觸的水平生物有效劑量進(jìn)入體內(nèi)的致癌物本身或其代謝產(chǎn)物與細(xì)胞內(nèi)大分子相互作用的程度測定致癌物-DNA加合物/致癌物-蛋白質(zhì)加合物，反映這些物質(zhì)在體內(nèi)作用于靶分子的水平生物標(biāo)記物流行病學(xué)調(diào)查常見的損傷SCE、微核、染色體畸變、腫瘤基因突變、癌基因活化等生物效應(yīng)標(biāo)記反映致癌物對靶器官所造成的可能和腫瘤形成有關(guān)的損傷01參與致癌物活化與滅活的酶系多態(tài)性主要有細(xì)胞色素P450(I相反應(yīng))和谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶(Ⅱ相反應(yīng))，這些酶系的個體差異可達(dá)十至數(shù)百倍，同樣的接觸水平所產(chǎn)生的生物有效劑量以及相應(yīng)的生物效應(yīng)會有很大差異，可以從無反應(yīng)到嚴(yán)重反應(yīng)(腫瘤形成)敏感性標(biāo)記衡量致癌物作用個體差異的指標(biāo)0201040203控制致癌物的接觸已明確鑒定的人類致癌物或致癌因素避免或減少與之接觸減少腫瘤發(fā)生高危人群的檢出與保護(hù)化學(xué)預(yù)防第五節(jié)阻斷化學(xué)致癌過程的一些途徑高危人群的檢出與保護(hù)高危個體常染色體顯性遺傳腫瘤(如視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤)家族成員雜合子常顯有高度腫瘤好發(fā)傾向的疾病(如家族性腸道多發(fā)性息肉)的雜合子常隱有高度腫瘤好發(fā)傾向的疾病(如著色性干皮病，共濟(jì)失調(diào)性毛細(xì)血管擴(kuò)張癥，先天性全血細(xì)胞減少癥，Bloom綜合征等)的病人及其雜合子有某些染色體異常的病人(如Down綜合征)某些I相酶(如芳烴羥化酶)