第八章外源化學物致癌作用

1、第八章外源化學物致癌作用,Carcinogenesis of Xenobiotics,教學目的,掌握：化學致癌物概念、分類；觀察化學毒物致癌作用的基本方法熟悉：化學致癌機制；化學致癌過程了解：非遺傳毒性致癌機制,近三十年以來，癌癥發(fā)病數以年均3-5%的速度遞增；3/4新增病例發(fā)生在新興工業(yè)國家及發(fā)展中國家；癌癥已成為人類第二位死因，超過艾滋病、結核、瘧疾致死病例的總和；WHO要求各會員國制定國家癌癥防控規(guī)劃，指出“If you

2、’re not planning, you’re planning to fail”—Dr. John R. Seffrin,癌癥已成為一個全球性公共健康問題,全球癌癥狀況,2002 年, (IARC報告)全球惡性腫瘤新發(fā)病例1090萬死亡病例670萬帶瘤生存患者2460萬,發(fā)病率最高：肺癌、乳腺癌和大腸癌死亡率最高：肺癌、胃癌和肝癌患病率最高：乳腺癌,預計2020 年,1000萬 死亡,1500萬 新發(fā)病例,3000萬 帶瘤

3、生存,腫瘤是可以預防的,要降低腫瘤的發(fā)病率，首先必須識別、鑒定化學致癌因素和有害的生活方式，闡明其作用機理，然后采取措施加以防治研究化學物致癌作用具有非常重要意義,掃煙囪工人與陰囊癌－1775年英國醫(yī)生Pott發(fā)現掃煙囪的工人陰囊癌的發(fā)病率較高，并推斷陰囊癌可能與工人長年接觸煤煙灰和瀝青有關，從而拉開了西方醫(yī)學研究腫瘤病因的序幕。直到本世紀初，日本人山極和市川用煤焦油涂抹兔子的耳朵，成功地誘發(fā)了皮膚癌，證實了英國醫(yī)生一百多年前的推斷

4、。這一成功的試驗還引起了醫(yī)學界對化學物品致癌研究的重視?，F在已經證實，化學致癌物是導致人類腫瘤的主要因素。,人類對腫瘤的認識,案例,1775年，英國外科醫(yī)生Pott在他行醫(yī)之際，注意到一些清掃煙囪的工人?；缄幠野＿@些工人的體型都非常瘦小，可能是煙囪口徑的限制，清掃的工作一定要這種體型的人才能勝任，有些家境不好的孩子在很年幼的時候就加入煙囪清掃工作的行列。這些人整天在煙囪里爬上爬下，臟頭污臉，經常裸體工作，極少洗澡，渾身上下特別是腹股

5、溝部位積滿油煙污垢。他們的工作服大都是常年一套，難得有換洗的機會，經常是煤煙累累，尤其是靠近陰囊部分的工作褲上積存的煤煙最多。,Pott醫(yī)生調查后認為陰囊與這些煤煙長期接觸，久而久之導致了陰囊癌的發(fā)生，陰囊癌也因此得名為“掃煙囪者癌”。 Pott推測煤煙中存在某些化學物誘導了陰囊癌的 發(fā)生，于是，開始了致癌物的探索，這是歷史上化學致癌研究的開端。 問題： 煤煙中是什么化學物質導致陰囊癌

6、的發(fā)生？煤煙暴露還與哪些腫瘤有關？,腫瘤(tumor,neoplasm) 指具有分裂潛能的細胞受致癌因素作用后發(fā)生惡性轉化和克隆性增生所形成的新生物。人的任何部位、任何組織都可以發(fā)生腫瘤。,第一節(jié) 概述,毒理學中的“癌”是廣義的概念，包括：癌、肉瘤、良性腫瘤。實際上毒理學中所指的化學致癌作用，是指化學致腫瘤作用。,化學致癌作用(chemical carcinogenesis) 是指化學物質引起或增進正常細胞發(fā)生惡性轉化并發(fā)展成為腫

7、瘤的過程。,化學致癌物(chemical carci-nogen) 指凡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。,腫瘤的發(fā)生是環(huán)境因素和機體的遺傳易感性共同決定的。,第二節(jié)　化學致癌過程,案例,20世紀40年代Berenblum進行了皮膚致癌試驗，他在小白鼠與兔的皮膚上涂抹苯并（a）比、二甲基苯并比蒽或甲基膽蒽等PAHs?！　　“l(fā)現多次涂抹后方能引起皮膚腫瘤的發(fā)生。但如果在涂抹幾次后，再用巴豆油涂抹，則腫瘤的出現明顯加快；

8、且單純用苯并（a）比誘發(fā)腫瘤時所需濃度比苯并（a）比再輔以巴豆油時的濃度大1000倍。　　　隨后60年代科學家在上述試驗的基礎上作了進一步研究，開展了一系列小鼠皮膚致癌實驗，實驗的總過程為15-70周，（1）與上述試驗一樣單給予小劑量的PAHs，結果沒有腫瘤發(fā)生。（2）先給予小劑量的PAHs后，每周兩次再輔以巴豆油，結果產生了腫瘤。（3）先給予巴豆油后給予PAHs，結果無巴豆油發(fā)生。（4）單給予巴豆油，結果沒有產生腫瘤?！　　栴}：

9、以上試驗結果對揭示化學致癌的發(fā)生過程有何啟示？,（一）引發(fā)階段（initiaition）：基因突變,（二）促長階段（promotion）：良性腫瘤,（三）進展階段（progression）：惡性腫瘤,一、細胞癌變的多階段學說,腫瘤發(fā)生是一個長期的、多階段的、多基因改變積累的過程，具有多基因控制和多因素調節(jié)的復雜性?！　∪梭w細胞：增生、異型變、良性腫瘤、原位癌發(fā)展到浸潤癌和轉移癌；體外細胞：永生化、分化逆轉、轉化。,化學致癌物,,代謝活

10、化,形成DNA加合物,,固定,啟動細胞,癌前病變,惡性變,,,,解毒作用,排泄,,DNA修復（不能修復者凋亡）,,潛伏期,暴露,引發(fā),促長,進展,效應,多階段致癌理論模式圖,,人類結腸腫瘤的發(fā)生與發(fā)展過程發(fā)生的分子事件是理解癌變過程癌基因和抑癌基因協同作用的經典模型；此過程也驗證了腫瘤發(fā)生是一個多基因參與、多步驟的過程。,一、引發(fā)階段,引發(fā)階段指細胞在各種致癌因素作用下，發(fā)生基因突變或表觀遺傳變異，導致異常增生的單克隆癌細胞的生成，從而

11、引發(fā)致癌過程。引發(fā)劑（initiator）：指具有引發(fā)作用的化學物。引發(fā)劑大多數是致突變物，沒有可檢測的閾劑量。引發(fā)細胞（initiated cell）：在引發(fā)劑的作用下發(fā)生了不可逆的遺傳性改變，但其表型可能正常，不具有自主生長性，因此不是腫瘤細胞。引發(fā)劑作用的靶：主要是原癌基因和腫瘤抑制基因。,二、促長階段,促長階段指引發(fā)細胞增殖成為癌前病變或良性腫瘤的過程。促長劑（promoter，促癌劑）：指具有促長作用的化學物。促長劑本

12、身不能誘發(fā)腫瘤，只有作用于引發(fā)細胞才表現其致癌活性；通常是非致突變物，不與DNA發(fā)生反應；促長劑通常具有閾劑量。,二、促長階段,惡性腫瘤的發(fā)生是一個逐漸演變的過程，人體上某些器官的一些良性病容易出現細胞異常增生，具有惡性變化傾向，這些異常增生具有癌變傾向的病變稱為癌前病變。,二、促長階段,良性腫瘤是指機體內某些組織的細胞發(fā)生異常增殖，呈膨脹性生長，似吹氣球樣逐漸膨大，生長比較緩慢。由于瘤體不斷增大，可擠壓周圍組織，但并不侵入鄰近的正常組

13、織內，瘤體多呈球形、結節(jié)狀。周圍常形成包膜，因此與正常組織分界明顯，用手觸摸，推之可移動，手術時容易切除干凈，摘除不轉移，很少有復發(fā)。,促癌劑佛波酯,機制：通過激活蛋白激酶C刺激細胞增生而起作用。例：小鼠多階段皮膚誘癌試驗　　　一些致癌劑雖能致突變，但不能誘導腫瘤的發(fā)生，直到佛波酯等處理突變的細胞，誘導細胞增生后才出現腫瘤。,二、促長階段,促長階段的特點：促長階段歷時較長，早期有可逆性，晚期為不可逆的，因此在促長階段（特別是在早期

14、）持續(xù)給以促長劑是必需的。2.促長階段的另一個特點是對生理因素調節(jié)的敏感性，衰老、飲食和激素可影響促長作用，許多影響因素本身就是促長劑。,二、促長階段,三、進展階段,進展階段指從癌前病變或良性腫瘤轉變成惡性腫瘤的過程。在進展階段腫瘤獲得惡性化的特征，如生長加快、侵襲、轉移、抗藥性等。進展劑（progressor ）：指使細胞由促長階段進入進展階段的化學物。進展劑具有引起染色體畸變的特性。完全致癌物（complete carcin

15、ogen）：指同時具有引發(fā)、促長及進展作用的化學物。,三、進展階段,進展階段關鍵的分子特性： 染色體的不穩(wěn)定性 主要表現：染色體發(fā)生斷裂 　染色體斷片易位 　非整倍體等,前致癌物,終致癌物,分化的腫瘤,引發(fā)的細胞,癌變多階段

16、學說,動物實驗性致癌模型，致癌過程劃分明確，但在人的實際情況中，由于可同時或反復接觸引發(fā)劑、促長劑或致癌劑，往往一種因素可以起很多作用（吸煙具有引發(fā)和促癌作用），因此可能會有反復的DNA損傷、促長、細胞克隆性擴增等循環(huán)性進行，致癌的分期有時不一定按照描述的程序發(fā)生?！　　∥覀兞私舛嚯A段致癌機制目的是為了如何控制癌癥?！　　∫l(fā)劑到處存在。人們不可避免接觸，因此很難完全避免接觸引發(fā)劑，所以最可能控制癌癥發(fā)生的環(huán)節(jié)是對促長期化學預防；如

17、使用促長劑的抑制劑（維生素A類）、抑制促長劑轉變成進展期的抑制劑（抗氧化劑）。,小結,分析,腫瘤的形成與致癌物的性質、接觸劑量和時間有關，且致癌作用的充分表達要經過一個較長的過程。和傳染病的潛伏期或退行性疾病的前驅期相似，腫瘤的發(fā)生也有一個潛伏期，在這潛伏階段內，細胞要經過多階段的癌前變化，茶能發(fā)展成腫瘤。先給予小劑量致癌物，能使細胞受到引發(fā)成為具有腫瘤潛能的細胞，以后再給予促癌劑，則可促進其發(fā)展為成腫瘤。但促癌劑沒有致癌作用，而且只能

18、促進已經被引發(fā)的細胞發(fā)展成腫瘤，引發(fā)和促長的次序不能顛倒，因此在實驗中觀察到單獨給予促癌劑或在引發(fā)前給予促癌劑，都無腫瘤發(fā)生。,第三節(jié) 化學致癌機制,機制,外源化學物致癌物誘導的腫瘤發(fā)生可能是兩種機制共同作用的結果。,化學致癌作用：多因素、多基因參與的多階段過程。－體細胞突變致癌學說：DNA堿基序列的改變，造成DNA損傷而引發(fā)的腫瘤的遺傳毒性機制。－非突變致癌學說：對DNA外靶分子作用的非遺傳毒性機制。,一、體細胞突變學說,理論

19、依據：－－致癌物活化代謝后生成的DNA加合物誘導基因突變。－－大多數的致癌物在致突變實驗中呈陽性。－－DNA修復缺陷可以導致腫瘤發(fā)生。－－在許多腫瘤組織中發(fā)生染色體畸變或基因組不穩(wěn)定性－－腫瘤細胞來源于單細胞克隆。－－癌基因的突變以及抑癌基因突變或缺失在腫瘤細胞中普遍存在。,32,（一）DNA加合物（DNA adduct)致癌物多數具有遺傳毒性，具有遺傳毒性的致癌物盡管化學結構和性質不盡相同，但有一共同的特點，即一般都是親

20、電子劑。親電劑+DNA親核物 → 加合物 →DNA損傷→ 部分細胞惡性轉化 →腫瘤DNA加合物在化學致癌作用過程中起到關鍵作用，是引起腫瘤的直接原因之一。在腫瘤防治、人群生物監(jiān)測、環(huán)境化學物暴露風險評價有應用價值。,33,（二）原癌基因、癌基因及抑癌基因,1.原癌基因（pro-oncogene）：指機體內正常細胞所具有的能致癌的遺傳信息。正常情況下呈靜止狀態(tài)，對細胞無害且具有重要生物學功能（調控細胞生長分化，促進細胞分裂、增殖

21、等）。,－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 原癌基因 功 能 相關腫瘤－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－erb-B 受體酪氨酸激酶，EGF受體 星形細胞瘤、 卵巢癌、 ras G-蛋白　

22、 肺癌、結腸癌、膀胱癌等 src 非受體酪氨酸激酶 羅氏肉瘤 Abl-1 非受體酪氨酸激酶　 慢性髓性白血?。?34,2.癌基因（oncogene）：是指細胞內或病毒內存在的，能誘導正常細胞發(fā)生轉化，使正常細胞

23、獲得一個或多個新生物特性的基因。癌基因實質上是一類被激活的基因，所指導合成的蛋白質能夠促成細胞惡性表型的形成。,35,己知的細胞癌基因分為下列四類:1 蛋白激酶類2 信息傳遞蛋白類3 生長因子及其受體類4 核內蛋白類 癌基因點突變是導致癌基因活化的主要形式。,36,3.抑癌基因（anti-oncogene）： 是正常細胞分裂生長的負性調節(jié)因子，其編碼的蛋白質能夠降低或抑制細胞分裂活性?；蚍Q為腫瘤抑制基

24、因（tumor suppressor gene）.這類基因對細胞的生長、增殖和分化起負調節(jié)作用，即抑癌作用。,－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 抑癌基因 功 能 相關腫瘤－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－Rb 轉錄調節(jié)因子 RB、成骨肉瘤

25、、胃癌P53 轉錄調節(jié)因子 星狀細胞瘤、膠質母細胞瘤、 WT 負調控轉錄因子 WT、橫紋肌肉瘤、肺癌、 DCC 細胞粘附分子 直腸癌 p21

26、 CDK抑制因子 前列腺癌－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－,37,化學物通過代謝產物或直接作用于遺傳物質，使其發(fā)生突變，并使原癌基因活化成癌基因或抑癌基因失活，細胞成為具有發(fā)展為腫瘤潛能的引發(fā)（或啟動）細胞。,38,（三）DNA修復與化學致癌正確修復：受損的DNA完全回復原有的結構與功能，不發(fā)生突變 。錯誤修復：經修復的DNA部分仍可能在結構和功能上存在缺陷，細胞雖能生

27、存，但出現突變 。DNA損傷---修復---突變---腫瘤,體細胞突變機制的理論基礎,點突變和染色體重排使原癌基因激活或過度表達；抑癌基因突變或失活導致細胞增殖失控；DNA修復功能缺陷進一步促進基因組的不穩(wěn)定性和增加患腫瘤的易感性。,二、非突變致癌機制,1.表觀遺傳變異：DNA甲基化水平的改變2.細胞異常增生：細胞增生促進癌前細胞灶優(yōu)先生長。3.免疫抑制：免疫缺陷4.內分泌激素失調：體內雌激素異常，體外環(huán)境內分泌干擾物5.

28、過氧化酶體增殖劑激活受體：誘導氧化應激狀態(tài),第四節(jié) 有關化學致癌的分子事件,一、端粒調控與細胞永生化,端粒：有絲分裂鐘端粒假說： 抑癌基因p53和Rb的失活以及端粒酶的激活是細胞獲得永生化的必要條件。意義： －－尋找端粒酶抑制劑，為腫瘤治療提供新藥物。 －－尋找端粒酶激活劑，為維持細胞活力和阻止細胞衰老開拓新途徑。,二、細胞周期調控紊亂,細胞增生過程由細胞周期來完成。細胞周期的驅動能力增強，細胞周期的監(jiān)