第九章外源化学物致癌作用

化学致癌作用(chemical catcinogenesis)：化学物质引起正常细胞发生恶性转化并发展成肿瘤的过程。

第九章外源化学物致癌作用

• 1.概述
  • 癌细胞由于受到致癌因子的作用不能正常完成细胞分化,而成为了不受机体控制的、连续进行分裂的恶性增殖细胞,这种细胞就是癌细胞。
  • 化学致癌作用(chemical catcinogenesis)：化学物质引起正常细胞发生恶性转化并发展成肿瘤的过程。--化学致肿瘤作用
  • 化学致癌物(Chemical catcinogen)：是指具有化学致癌作用的化学物质。
  • 肿瘤(Tumot），指有分裂潜能的细胞受致癌因素的作用后发生恶性转化和克隆性增生所形成的新生物，在人体任何部位、任何组织都可以发生肿瘤。
  • 癌症（Cancer)，亦称恶性肿瘤(Malignant neoplasticism），由于控制细胞生长增殖机制失常而引起的疾病
• 2.化学致癌物的分类
  • 根据对人类和动物致癌作用分类
    • ①组1：确证的人类致癌物：人群证据充分十动物致癌。 ②组2A：动物致癌物(人类可能致癌物)：动物实验证据充分人群证据有限。 组2B：动物致癌物(人类可疑致癌物)：动物实验证据充分，人群证据不足；或动物实验证据不充分，人群证据有限 ③组3：可疑致癌物：动物实验与人群证据都不充分 ④组4：人类非致癌物：目前无致癌证据。
  • 按化学致癌作用模式分类
    • 直接致癌物
      • 不需要代谢活化即具有亲电子活性，能与大分子物质共价结合形成加合物：内酯类、、氮芥、镍、镉、砷\活性卤代
    • 间接致癌物
      • 需要在内体代谢活化后才具有致癌作用：芳香烃、亚硝胺类、烟草、酒精、苯并蔥等
    • 促癌剂
      • 单独作用不致癌，却可使启动的突变细胞克隆扩增，促进胂瘤的发展：DDT、多氯联氮、二噁英
    • 生物转化酶系统的作用主要是解毒作用。但在某些情况下，也可催化生成活性代谢物，造成机体损伤，即代谢活化作用。 酶系统可催化本身并不直接致癌的化学物产生活性致癌物，即终致癌物。
      • 前致癌物(precatcinogens):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
      • 近致癌物(ptoximate cstcinogens):指前致癌物经代谢活化过程形成的中间产物，必须进步代谢活化才具有致癌作用的物质
      • 终致癌物(ultimate catcinogens):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
  • 按照致癌的机制分类
    • 遗传毒性致癌物：指进入细胞后与DNA共价结合，引起机体遗传物质政变，导致癌变的化学物
    • 非遗传毒性致癌物：泛指不直接作用于机体遗传物质的致癌物。
• 2.化学致癌过程
  • 化学致癌物的代谢与活化：大多数环境化学致癌物进入体内，在体内必须经过生物转化，形成具有致癌活性的终致癌物后才能发挥损伤效应，使细胞发生恶性转化。
  • DNA加合物的形成：具有致癌活性的致癌物与DNA碱基的共价结合所形成的DNA加合物是DNA损伤的主要形式
  • 化学致癌多阶段过程
    • ①引发阶段：细胞在各种致癌物作用下，发生基因突变或表观遗传变异，导致异常增生的单个克隆癌细胞的生成，从而引发致癌过程。
      • 特征：1.遗传改变的不可逆性；2.启动细胞的表型可能正常，不具备自主生长性。
    • ②促长阶段：是单克隆的癌细胞在一种或多种促癌物质的不断作用下，表型发生改变，恶性肿瘤细胞的各种性状得以表达的过程。
      • 特征：1.在基因表达和细胞水平上有可逆性2.持续给子促长剂可维持促长细胞群3.对哀老、饮食和激素因子敏感4.内源性促长剂可引起自发促长作用5.剂量反应关系显示有可测定的阈值和最大作用6.以能否有效扩大引发细胞群来确定促长剂的强度
    • ③进展阶段：是指良性肿瘤转变为恶性肿瘤，并进一步演变成更具恶性表型或具有侵袭特性的肿瘤的过程。细胞表现出高增殖率和低凋亡率。
      • 特征：1.不可逆性2.核型不稳定导致细胞基因组结构的形态学改变3.在进展阶段早期，已改变的细胞对环境因子敏感4.在进展阶段可观察到良性或恶性肿瘤5.进展剂使已促长的细胞进入此期
• 4.化学致癌机制
  • 4.体细胞突变学说
    • DNA加合物
      • 许多致癌物是亲电剂与生物大分子（如DNA)亲核物结合→ 形成加合物→ 造成DNA损伤→部分细胞恶性转化→肿瘤
      • 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
      • 化学致癌物与DNA结合时，从结合位置看，鸟嘌呤N-7位最敏感，其次为鸟嘌呤0-6位及腺嘌呤N-3位和N-1位
      • 化学致癌物诱导生成DNA加合物的数量与致癌性有密切关系。因此DNA加合物可作为人类接触环境致癌物的生物学标记，具有重要应用价值
    • 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部分仍可能在结构和功能上存在缺陷，细胞虽能生存，但出现突变
    • 癌基因、原癌基因及抑癌基因
      • 癌基因(oncogene)：指一类在自然或实验条件下具有诱发恶性转化的潜在基因
        • 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
      • 原癌基因(ptoto-oncogene)：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，如生长因子、受体、信号分子、转录因子和细胞周期调节竽
      • 抑癌基因 (anti-oncogene)：又称为肿瘤抑制基因 (tumot suppressot gene)指对细胞生长、增殖和分化起负性调节基因
        • 主要作用是抑制细胞的过度增殖。丢失、灭活或突变时，往往会使细胞呈恶性生长。
        • 抑癌基因失活→胂瘤细胞增殖失控 正常情况抑癌基因具有多种多样的细胞功能，如p53遗传毒性致癌物主耍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
        • 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
    • 癌基因和抑癌基因的发现使我们最终认识到肿瘤实质上是一种遗传病，即所有恶性肿瘤都是基因突变的结果。
  • 4.非突变致癌机制
    • 表观遗传变异学说
      • 特点：可遗传的，即这类改变通过有丝分裂或減数分梨，能在细胞或个体世代间遗传；可逆性的基因表达调节，也有较少的学者描述为基因活性或 功能的改变；没有DNA序列的改变或不能用DNA序列变化来解释
    • 细胞异常增生
      • 肿瘤是正常细胞在致癌因素长期作用下，出现过度增生或异常分化而形成的新生物。与正常细胞相比，肿瘤细胞具有超常的增生能力。 反复炎症刺激可使良性增生发展成异常增生，临床研究证实细胞增生是许多癌前病变的共同特征。
    • 免疫抑制
      • 研究发现，某些肿瘤细胞能通过自分泌或旁分泌形式分泌免疫抻制因子，如转化生长因子β(TGF-β）、白细胞介素-6(IL-6）和前列腺素E(PGE2）等，能抑制机体对肿瘤细胞的杀伤
    • 内分泌激素失衡
      • 长期使用激素可以导致肿瘤发生。 环境内分泌干扰物(EEDs):存在于环境中并能干扰体内天然激素的合成、分泌、运输、结合、作用、代谢及消除的外源性化学物质，表现出拟天然激素或抗天然激素的作用，通过干扰机体的内分泌功能而致病
      • EEDs三大特点-危害严重 危害严重：生殖与发育毒性、致癌、神经毒性、免疫毒性等
    • 过氧化酶体增值剂激活受体
• 5.与化学致癌相关的分子事件
  • 端粒调控与细胞永生化
    • 端粒（telomere）：是真核细胞染色体末端的一个特殊的DNA-蛋白质结构，其DNA由5’TTAGGG-3’六个碱基的重复序列组成，能稳定和保护染色体，在每次细胞分裂后，该重复序列都要缩短50-100bp，最终导致细胞衰老、死亡。
    • 端粒酶（telometase)：是一种核糖核酸蛋白酶，能在染色体末端合成端粒序列，以维持端粒的长度。被称为细胞分裂计时器，在细胞永生化过程中起着重要的作用。
  • 细胞周期调控的紊乱
    • 令细胞周期调控的核心成员：细胞周期素（cyclin)，周期素依赖性蛋蛋白激酶 (cyclin dependent kinase,CDK）和CDK抑制蛋白（CDKinhibitor)
    • 细胞周期重要的是G1-S转换和G2-M转换关卡
    • 细胞周期依赖两种机制1.细胞周期驱动机制2.细胞周期监控机制
    • 令细胞周期监控：DNA损伤感应、细胞生长阻滞、DNA修复和细胞凋亡启动。
  • 化学凋亡与肿瘤发生
    • 细胞凋亡 (apoptosis）：细胞在一定的生理或病理条件下，受内在遗传机制的控制自动结束生命的过程，是一种自然的生理过程。
    • 细胞坏死 (Nectosis)：在种种不利因素下，由于细胞正常代谢活动受损或中断引起的细胞死亡。
    • 促进细胞凋亡基因：p53、Rb、 p16; 抑制细胞调亡基因：c-Mye、 Ras、Bcl-2
• 6.化学致癌物筛查的基本方法
  • 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。
  • 定量构-效分析
    • TSAR是利用理论计算和统计分析工具研究化合物与其生物学效应之间的定量关系。该方法是集生物、化学和统计学为一体的一项综合技术，它的理论基础是影响化学反应速率的能力将体现为不同的活性指数或可量化的响应指数。
    • 优点：快速，经济，有效，是人类最早的合理药物设计方法之一
    • 缺点：物理意义模糊，且在分析是没有涉及生物学因素，精确性不高
  • 遗传毒性实验
    • 许多化学致癌物具有诱导突变的作用，因此目前致突变实验是毒理学安全评价应用最多的实验。
    • 1、基因突变试验：鼠伤寒沙门氏菌回复突变试验(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，DNA链断裂，DNA修复诱导试验；
    • 4、体外细胞转化：叙利亚地鼠胚胎细胞，Balb/cST3细胞。
    • 5、彗星实验
    • 6、程序外DNA合成试验
    • 7、姐妹染色体交换试验
    • 8、Ames试验对致癌物的预测率最高，与动物诱癌试验结果比较，敏感性54%，特异性79%
    • 优点：简单、快速、费用低廉、无需特殊检测仪器 缺点：无法检出非遗传毒性致癌物。
  • 细胞恶性转化实验
    • 细胞恶性转化（cell malignant transformation）是指外源性因素对体外培养的细胞所诱发的恶性表型改变，包括细胞形态细胞增殖速度、生长特性、染色体畸变等变化，目的在于揭示体外培养细胞在接触受试物后，细胞生长自控能力的丧失：接触抑制消失，细胞排列紊乱或呈灶状生长
    • 观察终点：细胞恶性变，可以饰查遗传毒性致癌物质，也可检测非遗传毒性致癌物。
    • 细胞选择的主要原则 ①体外容易培养和传代、阴性细胞克隆背景低； ②细胞自发突变率第或自发转化能力很弱，动物裸鼠实验呈阴性； ③巴获无限生长能力，但仍保持接触抑制而无致瘤性的细胞
  • 哺乳动物短期致癌实验
    • 动物短期致癌实验 (limited in vivo bioassar):：实验观察不是终身而是在有限的时间范围内，而且观察的靶器官限定为一个而不是全部。
    • 国内外常用的有以下四种： 1、小鼠肿瘤诱发实验 2、雌性SD大鼠诱发实验 3、大鼠肝转变灶实验 4、小鼠皮肤胂瘤诱发实验 观察终点：癌前病变如腺瘤、瘤性增生结界
  • 哺乳动物长期致癌实验
    • 动物选择：断乳或断乳不久的大鼠和小鼠，雌雄各半。
    • 动物数量：每组至少有雌雄各50只动物，共100只。在出现第一个肿瘤时，每组还应有不少于50只动物
    • 染毒途径和时间：原则上试验期限要求长期或终生，一般小鼠1.5年，大鼠2年。
    • 剂量：致癌试验一般设三个试验组
    • 结果观察，分析和评定
      • 肿瘤发生率（%）=（实验结束时患胂瘤动物总数 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。
      • 肿瘤多发性：：是指一个动物出现多个器官肿瘤或- 一 个器官出现多个肿瘤。一般计算每一组的平均肿瘤数和每一组中出现2、3个或多个肿瘤的动物数或比例
      • 肿瘤潜伏期：从摄入受试物起到发现肿瘤的时间，因为内脏肿瘤不易觉察，通常将肿瘤引起该动物死亡的时间定为发生肿瘤的时间。 应对试验结果进行仔细的统计学分析，并研究剂量一反应关系
  • 促癌剂的检测
  • 转基因或基因敲除动物在致癌物筛查中的应用
  • 人群肿瘤流行病研究
    • 接触标记，生物效应标记，敏感性标记
    • 转基因小鼠在致癌筛查中的应用：转癌基因小鼠，肿瘤抑制基因敲除小鼠