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毒理学7外源化学物致癌作用
本图讲述了化学致癌物的分类、化学致癌机制、化学致癌物的毒理学检测方法，希望对大家有帮助！
编辑于2024-02-25 11:11:26- 毒理学
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毒理学7外源化学物致癌作用
思考
1.为什么要研究外源化学物的致癌作用？
2.外源化学物如何导致肿瘤的发生？
3.有哪些方法可以检出外源化学物的致癌作用？
学习要求
1. 掌握化学致癌、化学致癌物的概念。
2. 掌握化学致癌物的代谢活化、直接致癌物、间接致癌物；体细胞突变；癌基因和抑癌基因；化学致癌多阶段过程：引发、促长、进展。
3. 熟悉IARC致癌物的分类：按机制分类；化学致癌性的判别：短期致癌试验、动物致癌试验、人群流行病学观察。
4. 了解致癌作用的影响因素；化学致癌物危险评价。
小结
名词：原癌基因、癌基因、抑癌基因、直接致癌物、间接致癌物、终致癌物
1、化学致癌的多阶段过程及其特点？
2、要判断化学物质是否有致癌性，如何设计试验？
3、致癌物的检测方法有哪些？
4、分类叙述化学致癌过程中的生物学标志物？
一、概述
肺癌相关危险因素
吸烟或被动吸烟 、PM2.5、放射性氡 、缺乏锻炼、厨房油烟 、遗传因素：EGFR基因突变、高脂低纤维 、心理因素
为什么致癌问题引起人们的广泛关注？
1、近代肿瘤发病率和死亡率不断增高，发癌年龄年轻化；
2、遗传因素和病毒因素与肿瘤有关，但非致肿瘤发病大量增加的主要原因；
3、流病调查和动物实验发现环境污染物与肿瘤发病有关。
研究化学致癌的意义
死因顺位的改变
研究的历史
人类癌症相关的环境因素
概念
肿瘤(tumor,neoplasm)
有分裂潜能的细胞受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。
良性肿瘤
呈膨胀生长，与周围组织有明显的界限，多有包膜，它们生长常有“自限性”，对机体破坏较小。
恶性肿瘤
癌和肉瘤
癌(carcinoma)
由上皮细胞来源的恶性肿瘤
肉瘤(sarcoma)
由间质细胞来源的恶性肿瘤
毒理学中“癌”的概念是广义的包括
上皮细胞的恶性病变（癌）
间质细胞的恶性病变（肉瘤）
良性肿瘤
恶性肿瘤主要危险因素
肿瘤的发病潜伏期较长（平均15-20年），是多因素、多效应、多阶段、多基因致病。人类肿瘤的发生是由环境因素与机体的遗传物质（宿主）之间复杂的交互作用的结果。
环境致癌因素主要包括生物、物理、化学因素，除少部分是以人们不自主方式接触外（如环境污染、病毒的垂直传播），多数是通过人们不良的生活行为方式而进入机体的。
宿主因素---遗传构成、免疫因素、内分泌因素、年龄与性别、健康状况
环境因素---食物、环境污染、职业和生活方式（如饮食习惯、吸烟等）
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
肿瘤是可以预防的！！！
主要致癌因素
物理因素
如电离辐射。经常接触X射线的医务人员中，白血病、皮肤癌、甲状腺癌的发病率均高于不接触X射线的医务人员。
国外388名15岁以下儿童患中枢神经系统肿瘤发病率与其父亲从事电离辐射有关。
化学因素
化学致癌物是一类可以使正常细胞转化为肿瘤细胞，发展为癌的化学物。
生物因素
乙型肝炎病毒— 肝癌
乳头状瘤病毒—食管癌、人类宫颈癌
EB病毒—鼻咽癌和恶性淋巴瘤
T系淋巴系病毒 I 型—T细胞白血病淋巴瘤
HIV—多发性人类肿瘤
化学致癌物(chemical carcinogen)
指凡能引起动物和人类肿瘤、增加其发病率或死亡率的化学物。
化学致癌作用(chemical carcino genesis)
指化学致癌物在体内引起肿瘤的过程。
二、化学致癌物的分类
一、根据致癌物对遗传物质的作用分类
1．遗传毒性致癌物（genotoxic carcinogens）
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
占化学致癌物的大多数
可利用遗传毒理学试验来检测
类型
依赖活化的前致癌物
多环芳烃、亚硝胺、芳基胺
不依赖活化的无机物
镍、镉
不依赖活化的有机物
烷化剂
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，但有一共同的特点，即皆为亲电子剂。
与致癌作用有关的代谢
直接致癌物指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的物质。
这类物质绝大多数是合成的有机物。包括有内酯类如β-丙烯内酯等；烯化环氧化物如1，2，3，4-丁二烯环氧化物；亚胺类；硫酸酯类；芥子气和氮芥；活性卤代烃类等。
间接致癌物指本身并不致癌，必须在体内经代谢转化，其所形成的代谢产物才具有致癌作用的物质。
如亚硝胺类，多环芳烃
前致癌物(precarcinogens)
本身并不直接致癌，必须在体内经代谢转化才具有致癌作用，尚未代谢活化的形式，即母体化合物。如亚硝胺类，多环芳烃
近致癌物(proximate carcinogens)
指前致癌物经代谢活化过程形成的中间产物，必须进一步代谢活化才具有致癌作用的物质。
终致癌物
不需代谢活化的直接致癌物和间接致癌物经过代谢转化最后产生的活性代谢产物的统称。
对比
直接致癌物（direct careinogens）
在体内不需要经过代谢活化即可致癌
间接致癌物（indirect careinogens）
在体内经代谢转化，其产物具致癌作用
无机致癌物
亲电子剂或通过选择性改变DNA复制保真性，导致DNA的改变
2．非遗传毒性致癌物（epigenotoxic carcinogens）
不直接改变机体遗传编码（DNA）的致癌物，可以通过细胞毒性、抑制凋亡或表观遗传方式来影响肿瘤发生。
(1) 促长剂
本身无致癌性，在给以遗传毒性致癌物之后再给以促长剂可增强遗传毒性致癌物的致癌作用，也可促进“自发性”转化细胞发展成癌。
佛波酯 (TPA及其衍生物)、苯巴比妥、二丁基羟基甲苯 (BHT)、1,8,9-蒽三醇、DDT、Alkanes及胆盐、有机氯农药、糖精等。
(2) 内分泌调控剂
主要改变内分泌系统平衡及细胞正常分化，常起促长剂作用。如乙烯雌酚、雌二醇、硫脲。
(3) 免疫抑制剂
主要对病毒诱导的恶性转化起增强作用。如嘌呤同型物。
(4) 细胞毒剂
可能引起细胞死亡，导致细胞增殖活跃及癌发展。如次氮基三乙酸及氯仿等。
(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过量生成。如祛脂乙酯、邻苯二甲酸乙基己酯。
(6) 固态物质
物理状态是关键性因素，可能涉及细胞毒性。如塑料、石棉等。
二、根据化学物对人类致癌的危险性分类
IARC利用世界各地所发表的可供利用资料，根据对人类致癌性资料（流行病学调查和病例报告）和实验动物致癌性资料，以及在实验系统和人类其他有关的资料，进行综合评价，将环境因子和类别、混合物及暴露环境与人类癌症的关系进行分级。
2020年11月更新
1类，对人类具有明确的致癌性，121种
2A类，很可能对人类产生致癌性，89种
2B类，可能对人类有致癌性，315种
3类，目前尚无法分辨是否有致癌性，498种
三、根据对人和动物致癌性的其他分类
确定致癌物
指人和动物都有充分、明确的证据，对人有致癌性
可疑致癌物
仅有个别临床报告，人群流行病学调查中未得到确切肯定的因果关系；或仅在多种动物、特别是与人类血缘相似的灵长目动物致癌试验阳性
潜在致癌物
指在人群中尚无充分资料说明人有致癌性，有充分的动物致突变资料的化学物质
根据化学致癌物质化学性质分
1、烷化剂类：环磷酰胺 （造血器官肿瘤）
2、多环芳烃类：3,4-苯并芘 （皮肤癌、肺癌）
3、芳香胺类：联苯胺 （膀胱癌）
4、金属和类金属：砷 （皮肤癌）
5、霉菌和植物毒素类：AFB1 （肝癌）
6、亚硝胺类：N-亚硝胺 （食管癌、 胃癌和肝癌）
7、石棉及SiO2 （尘肺及肺癌）
8、嗜好品：烟草、槟榔、酒类 （肺癌、口腔癌、肝癌）
9、药物：己烯雌酚 （透明细胞腺癌）
10、其他：某些植物成分，如蕨菜中的未详物质
已鉴定的人类主要环境致癌因素
化学致癌物
如香烟烟雾中化学致癌物
饮食中的污染物
如黄曲霉毒素B1
物理因素
如紫外线、石棉、氡
致病菌和病毒
如幽门螺旋菌、人乳头状瘤病毒、人乙肝和丙肝病毒
某些生活方式
如吸烟、过度暴露于阳光、过度脂肪摄入等
未分类
二恶烷、美舍吡伦
助致癌物（cocarcinogens）：不具有引发和促长作用，但可以促进引发作用和增强促长作用，即能促进或增强全部致癌过程 。如乙醇、二氧化硫
三、化学致癌机制
一、多阶段致癌过程
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。
引发阶段 (initiation)：基因突变
促长阶段 (promotion)：良性肿瘤
进展阶段 (progression)：恶性肿瘤
1．引发阶段或称启动阶段：引发作用的靶，不可逆性。
突变细胞（启动细胞，initiated cell）
化学致癌物对靶细胞DNA产生损伤作用，经细胞分裂增殖固定下来，造成单个或少量细胞发生永久性、不可逆的遗传性改变
引发剂（启动剂，initiator）
化学物或代谢产物与DNA作用导致体细胞突变成引发细胞。
具有引发作用的化学物质。
关键环节
致癌物的代谢、DNA修复和细胞增殖。
2．促长阶段：引发细胞增殖成为癌前病变或良性肿瘤的过程。早期可逆，晚期不可逆。
引发物作用之后，促癌物长期、慢性作用
引发物单独作用一般不会引起肿瘤
只有促癌物的慢性作用不会引起肿瘤
引发物与促长物的作用有先后次序
引发作用不可逆，促长在早期可逆
促长剂 (promotor)
具有促长作用的化学物质。
使引发细胞增殖成为癌前病变或者肿瘤。
特点
细胞增殖
3．进展阶段：从引发细胞群转变成恶性肿瘤的过程。
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肿瘤的特征，如生长速度、侵袭性、转移能力及生化、免疫性能改变。
进展剂
使促长阶段的细胞进入进展阶段的化学物。
特点
遗传不稳定性、侵袭性、刺激肿瘤血管新生、改变代谢通路、免疫耐受
二、化学致癌作用的分子机制
化学致癌机制分类
体细胞突变致癌学说
即 造成DNA损伤而引发肿瘤的遗传毒性机制。
非突变致癌学说
即 对DNA以外靶分子作用的非遗传毒性机制。
1. 体细胞致癌假说
它的基本点是恶性肿瘤的形成，起源于一个体细胞的恶变，进一步增殖形成肿瘤组织。
理论依据
1)致癌物质的致突变性
2)染色体畸变
3)多种肿瘤的单克隆性
4)原癌基因突变和抑癌基因突变
（一）DNA加合物：可作为接触环境致癌物的标志
有致癌活性的终致癌物，含有亲电子结构基团的化合物，它能与细胞靶分子发生共价结合，形成加合物，使这些生物大分子烷基化，导致DNA的突变。
DNA加合物在化学致癌作用过程中起到关键作用，是引起肿瘤的直接原因之一
支持这一观点的实验依据
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能转变为亲电子的代谢产物
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和致癌物相互作用可活化肿瘤基因
（二）DNA修复与化学致癌
正确修复
受损的DNA完全回复原有的结构与功能，不发生突变
错误修复
经修复的DNA部分仍可能存在结构和功能上存在缺陷，细胞虽能生存，但出现突变
DNA损伤-----修复-----突变-----肿瘤
（三）癌基因、原癌基因及抑癌基因
癌基因激活，导致肿瘤的阳性增殖，原癌基因突变为癌基因后通常过度表达
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
抑癌基因的产物能阻断肿瘤的细胞生长，抑癌基因突变后丧失其功能
抑癌基因的两个等位基因都必须失活才能改变细胞的表型
1．癌基因 (oncogene)
在自然或实验条件下具有潜在诱发恶性转化的基因，是化学致癌物作用的主要靶分子，在细胞癌变过程中起着关键作用。
实质上是一类被激活的基因，所指导合成的蛋白质能够促成细胞恶性表型的形成。
原癌基因 (proto-oncogene)
机体内正常细胞所具有的能致癌的遗传信息。正常情况下它呈静止状态，对细胞无害且具有重要生物学功能（调控细胞生长分化，促进细胞分裂、增殖等）。
原癌基因在进化过程中高度保守。
当发生突变、缺失、病毒整合、染色体易位、基因扩增或促长剂插入时，原癌基因发生改变，失去正常的调控细胞生长和分化功能，使细胞发生恶性转化。发生恶性转化的原癌基因即是癌基因。
化学、物理或生物等致癌因素作用于细胞后，引起原癌基因突变使之激活，转变成癌基因后才会导致细胞癌变
它们可从多个环节改变和扰乱细胞正常代谢、生长、分化等基本过程，使这些细胞具备了恶性转化的基础，并在某些促进因素的作用下，加深了转化的进程，逐步演变为恶性肿瘤。
癌基因是化学致癌物作用的靶分子，
在细胞癌变过程中发挥关健作用，
指导合成的蛋白质能促成细胞恶性表型的形成。
2．抑癌基因 (anti-oncogene)
正常细胞分裂生长的负性调节因子，其编码的蛋白质能够降低或抑制细胞分裂活性。
抑癌基因抑制肿瘤的可能机制
1维持正常细胞膜结构和稳定性
2抑制细胞增殖相关基因的表达
3调节细胞周期
4促进细胞凋亡
5调节细胞内信号转导过程等
抑癌基因产物通过编码转录因子或作为细胞周期调节因子参与调控细胞增殖和分化；参与DNA损伤的修复、复制，保证DNA遗传的稳定性；细胞粘附分子调解细胞凋亡。
活化GTP酶或磷酸化酶，阻断癌基因产物（如：Ras蛋白或蛋白激酶）的活性和细胞内信号转导而发挥抑癌作用等。
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
（四）细胞凋亡和周期与致癌作用
细胞凋亡（apoptosis）：在一定的病理或生理条件下，遵循自身的程序，通过内部机制的启动，主要依靠核内切酶的激活将DNA裂解成若干片段而导致细胞死亡的一种方式
外源化学物在诱导肿瘤发生过程，通过改变促凋亡基因（p53、Rb、p16等）和抑凋亡基因（c-Myc、Ras、Bcl-2家族等）的表达和功能，干扰细胞的正常凋亡过程，使得本该清除掉的受损细胞得以保留下来，受损细胞中携带的突变得以固定和传递。
2. 非遗传毒性致癌机制
部分致癌物用目前常用致突变试验不能检出其致突变性。
常见的非遗传毒性致癌物：石棉、激素、免疫抑制剂、多氯联苯及TCDD
非突变致癌学说与体细胞突变学说并非相互排斥，而是相辅相成的。
1表观遗传学变异
2细胞异常增生
3免疫抑制
4内分泌激素失调
四、化学致癌物的毒理学检测方法（观察化学毒物致癌作用的基本方法）
化学致癌物的判别
人群流行病学调查
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
动物实验证据
两项按现行常规设计进行，符合GLP（good laboratory practice），在不同物种动物中所得结果一致的动物致癌物鉴定资料。
定性判别
受试物能否致癌
定量判别
剂量-反应关系分析
致癌物判别方法
短期试验
动物致癌试验
人类流行病学调查
一、定量构效关系分析
通过数学和统计学的模型，定量或定性地研究化合物结构与其生物学效应之间的关系。
构效关系分析多从一种同系物着手，找出该系物质化学结构中与致癌性关系最密切的结构成分，以及结构成分改变时产生的影响。
Toxtress、Toxnet等软件预测化合物毒性。
二、短期试验
（一）致突变试验
依据是致突变性与致癌性相联系。
对致癌物的筛选需一组致突变试验，最好每一遗传学终点均有一个试验。在组合试验中有一项是阳性结果，即可认为该受试物为致突变物，因而就可能是遗传毒性致癌物。
（二）细胞恶性转化试验
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。
观察内容：生长自控能力、细胞形态、细胞生长能力、生化表型以及移植于动物体内形成肿瘤的能力等。
恶性变的细胞表现
细胞偏大，且大小不等
核大而畸形，染色质深染而粗糙，核浆比例倒置，核膜粗厚，核仁增生而肥大
核仁核胞浆因RNA增多而偏酸性，呈嗜碱性染色而偏蓝
多见核分裂现象
生长接触抑制消失
生长表型的改变
哺乳动物体外培养细胞转化试验
裸鼠体内成瘤
核型改变
生长杂乱
软琼脂形成集落
......
应用于细胞转化试验的细胞
原代细胞：叙利亚仓鼠胚胎细胞 (SHE细胞)、人类成纤维细胞、小鼠皮肤或大鼠支气管上皮细胞等；
细胞系：BALB/C-3T3，C3H10T1/2和BHK-21；
病毒感染细胞：RLV/RE细胞(劳舍尔白血病病毒感染的Fisher大鼠胚胎细胞)和SA7/SHE细胞 (猿猴腺病毒感染的SHE细胞)。
（三）哺乳动物短期致癌试验
一种有限的动物试验（limited in vivo bioassay）。它是在有限的短时间内完成而不是终生，其观察的靶器官也限定为一个而不是全部器官和组织。
常用的哺乳动物短期致癌试验
小鼠肺肿瘤诱发试验；
小鼠皮肤肿瘤诱发试验；
雌性大鼠乳腺癌诱发试验；
大鼠肝转化灶诱发试验等。
在给予受试物后，多次持续给予促长剂
阳性结果
与长期动物致癌试验相当。由于试验期较短，又未检查其他器官和系统，特别是皮肤肿瘤和乳腺癌的诱发试验，仅适用于较小范围的化学物质
阴性结果
意义较差，不能排除受试物的致癌性
三、哺乳动物长期致癌试验
物种选择
大鼠-肝癌、小鼠-肺肿瘤、仓鼠/地鼠-膀胱癌
动物数量
一般每组最少50只
剂量设计
高、中、低（相当或低于人类实际可能接触的剂量）
染毒时间
长期或终生。小鼠：1.5-2年；大鼠：2-2.5年
(一) 动物选择与数量
易感性是选择动物最重要依据
物种：特定靶器官
品系：敏感、自发肿瘤率低、生命力强
年龄：刚断乳
性别：雌雄各半
数量：各50只
（二）剂量和分组
一般设3个染毒剂量组和1个对照组（溶剂）。3个染毒剂量组包括无作用剂量组、阈剂量组、发生肿瘤的剂量组（此为最高剂量组），以求出明确的剂量反应关系。
设立对照组和阳性对照组，阳性致癌物最好与受试物的化学结构相近。
（三）试验期限与染毒时间
原则上试验期限要求长期或终生。致癌试验通常与慢性毒性试验结合起来进行。所谓长期，因不同物种寿命长短不一，观察时间要求不同。一般情况下小鼠最少1.5年，大鼠2年。
（四）结果的观察、分析和评定
致癌试验常用的指标
1．肿瘤发生率
2．多发性
3．潜伏期
注意事项
对于阴性结果的认定应非常慎重
两个物种动物，两种性别，至少三个剂量水平且其中一个接近最大耐受量
每组有效动物数至少50只（动物数量与其自发肿瘤率成正比）
WHO判定致癌试验的阳性标准
1.对照组也出现的肿瘤，试验组发生率增加
2. 试验组出现对照组没有的肿瘤
3. 试验组肿瘤发生早于对照组
4. 与对照组比，试验组动物的平均肿瘤数增加
四、人群流行病学调查
一般先通过动物致癌试验，根据阳性结果检出潜在的人类致癌物，或先进行描述流行病学调查或临床观察发现怀疑人类致癌物，再进行病例-对照研究和队列研究。
人群肿瘤流行病学调查程序
人类致癌物的最终判定依据
1、流行病学调查结果能够重复；
2、有明确的剂量-反应关系；
3、有动物致癌试验阳性结果支持。
五、致癌作用模型
转基因动物 (transgenic animal)
借助基因工程技术将确定的外源基因通过生殖细胞或早期胚胎导入动物个体的染色体上，在其基因组内稳定地整合经导入的外源基因，并能遗传给后代的一类动物。
基因敲除小鼠
将小鼠基因组中特定内源基因定点突变的小鼠。杂合子P53缺失型小鼠
1．肿瘤演进模型
引起肿瘤的小鼠，可建立在某一基因的突变与导致肿瘤的细胞内变化间的直接因果性联系的试验模型。转基因小鼠发生的肿瘤在发展的过程中可识别其组织学改变，通过识别在该过程每个阶段发生的遗传学变化，不仅可以分析单个基因的功能，而且可以将肿瘤发展中的遗传学事件排序。
2．肿瘤病因、发病机制研究
建立携带有肿瘤基因的转基因动物
具有四维特征，能够从空间和时间角度同时观察目的基因的活动情况。可以检测一些已知的癌基因或抑癌基因的改变在肿瘤发生中的作用，帮助识别其他影响肿瘤发生的基因。
肿瘤是可以预防的
要降低肿瘤的发生率，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。
一、控制致癌物的接触
二、高危人群的检出与保护
三、化学预防
阻止接触，降低吸收量
阻止体内生成
致癌物细胞外灭活
阻断致癌物对靶分子的作用
调节基因表达与DNA的修复功能