食品毒理學(xué) 第九章 外源化學(xué)物的致癌作用

第九章外源化學(xué)物的致癌作用

ChemicalCarcinogenesis癌癥癌癥是嚴重威脅人類健康和生命的疾病。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計：全世界每年因癌癥死亡的人數(shù)高達630萬人，而我國每年因癌癥死亡的人數(shù)已達130萬人，并且癌癥患者每年以3％的速度遞增。在很多國家，癌癥死亡率占死因順位的第二位，甚至第一位。我國占第二位（20%）。我國城市人口癌癥死亡率占癌癥死亡率占死因順位的第一位。降低癌癥的發(fā)生率和死亡率是整個醫(yī)學(xué)面臨的重大挑戰(zhàn)。癌癥林曉旭付彪梅艷芳癌癥的病因很復(fù)雜，主要有遺傳因素和環(huán)境因素。①近年來腫瘤發(fā)病率和死亡率不斷增高，發(fā)癌年齡年輕化；②查明了遺傳因素和病毒的生物學(xué)因素雖與腫瘤發(fā)生有關(guān)。但并非是導(dǎo)致腫瘤發(fā)病率增高的主要原因；③發(fā)現(xiàn)環(huán)境化學(xué)污染和某些物理有害因素（如紫外線）與腫瘤發(fā)病率密切相關(guān)。WHO指出,人類癌癥90%與環(huán)境因素有關(guān)，其中主要是化學(xué)因素。基本概念腫瘤指有分裂潛能的細胞受致癌因素的作用后發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化和克隆性增生所形成的新生物，在人體任何部位、任何組織都可以發(fā)生腫瘤。惡性增生轉(zhuǎn)移腫瘤與癌的區(qū)別tumor,neoplasm,Cancer,carcinomatumor：是指所有的腫瘤，無論其良惡性和組織來源，任何的腫瘤都可以泛稱為tumorcancer是指所有的惡性腫瘤的總稱，其范圍較tumor為小。carcinoma是指所有上皮組織來源的惡性腫瘤在毒理學(xué)中，“癌”的概念廣泛，包括上皮的惡性變(癌)，也包括間質(zhì)的惡性變（肉瘤）及良性腫瘤。這是因為迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)只誘發(fā)良性腫瘤的致癌物，而且，良性腫瘤有惡變的可能?；靖拍钪掳┳饔?carcinogenesis)是指環(huán)境有害因素引起或增進正常細胞發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化并發(fā)展成為腫瘤的過程?；靖拍钪匾瘜W(xué)致癌(chemicalcarcinogenesis)是指化學(xué)物質(zhì)引起或增進正常細胞發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化并發(fā)展成為腫瘤的過程。具有這類作用的化學(xué)物質(zhì)稱為化學(xué)致癌物(chemicalcarcinogen)?；靖拍畹谝还?jié)化學(xué)致癌過程及機制在化學(xué)致癌機制研究中形成了多種學(xué)說，如體細胞突變學(xué)說、癌基因?qū)W說、親電子劑學(xué)說、癌變多階段學(xué)說、表觀遺傳機制學(xué)說等。其中最經(jīng)典的是體細胞突變學(xué)說，而與之相應(yīng)的非突變致癌學(xué)說泛指所有不涉及堿基序列改變的致癌機制，目前普遍認為外源化學(xué)致癌物誘導(dǎo)的腫瘤發(fā)生可能是上述兩種主要機制共同作用的結(jié)果，即兩者協(xié)同作用，共同控制細胞癌變過程。重要

細胞癌變的多階段學(xué)說雖然目前化學(xué)致癌機制還未徹底闡明，但一致認為：化學(xué)致癌是多因素、多基因參與的多階段過程?；瘜W(xué)致癌物原癌基因抑癌基因DNA修復(fù)基因代謝酶基因凋亡基因抗凋亡基因外因性因素：

理化和生物因素、營養(yǎng)等內(nèi)源性因素遺傳、免疫、激素、精神等生物體

引起癌基因、抑癌基因等發(fā)生點突變、擴增、易位、重排、缺失等使癌基因活化，抑癌基因失活，導(dǎo)致細胞的增殖、分化、凋亡異常引起腫瘤。

重要多種環(huán)境致癌物、致癌因子或條件可協(xié)同作用1與腫瘤有關(guān)的因素已鑒定的人類主要環(huán)境致癌因素：化學(xué)致癌物：如香煙煙霧中的化學(xué)致癌物、藥物飲食中的污染物：如黃曲霉毒素B1物理因素：如紫外線、石棉、氡致病菌和病毒：如幽門螺旋菌、人乳頭狀瘤病毒、人乙肝和丙肝病毒某些生活方式：如吸煙、熬夜、過度暴露于陽光、過度脂肪攝入等癌癥是可以預(yù)防的！Doll和Peto于1981年報告了歸因于環(huán)境因素的癌癥死亡的百分率(范圍)；煙草30％(25％～40％)，酒精3％(2％～4％)，飲食35％(10％～70％)，食品添加劑＜1％，生殖和性行為7％(1％～13％)，職業(yè)4％，污染2％，工業(yè)產(chǎn)品＜1％，藥品和醫(yī)學(xué)處置1％，感染10％，地球物理因素(包括紫外線等)3％，未知7％。其中，化學(xué)因素約占77％。研究化學(xué)致癌作用具有重要意義！2與腫瘤有關(guān)的基因原癌基因（100多種）正常細胞中也存在著在核酸水平及蛋白質(zhì)產(chǎn)物水平與病毒癌基因高度相似的DNA序列抑癌基因（30種）腫瘤抑制基因可抑制腫瘤細胞的腫瘤性狀的表達，只有當(dāng)它自己不能表達或其基因產(chǎn)物去活化才容許腫瘤性狀的表達。凋亡基因及抗凋亡基因DNA修復(fù)基因表觀遺傳機制代謝酶基因：3化學(xué)致癌作用的多階段過程癌變的階段學(xué)說是在上世紀40年代，Rous、Mottram和Bemblum等分別研究利用致癌性多環(huán)芳烴和巴豆油誘發(fā)小鼠皮膚乳頭瘤，提出化學(xué)致癌的兩階段學(xué)說，即引發(fā)(啟動，initiation)和促長(promotion)兩個階段。其實驗證據(jù)是用亞致癌劑量(即在實驗期間不引起腫瘤發(fā)生的劑量)的致癌性多環(huán)芳烴涂抹小鼠皮膚一次，20周后不發(fā)生乳頭瘤或很少發(fā)生。但如在使用劑量相同的致癌物之后再用巴豆油涂抹同一部位(每周2次，共20周)則有約1／3～1／2的小鼠發(fā)生乳頭瘤。單獨使用巴豆油或在涂抹致癌物之前使用巴豆油都不引起乳頭瘤。據(jù)此提出化學(xué)致癌的引發(fā)和促長兩階段學(xué)說，將所用的致癌性多環(huán)芳烴稱為引發(fā)劑(initiator)，巴豆油稱為促長劑(promotor)，巴豆油中具有促長作用的有效成分經(jīng)鑒定為佛波醇酯(TPA)。癌變的階段學(xué)說在肝、膀胱、肺、胃腸道等癌癥發(fā)生和體外細胞轉(zhuǎn)化試驗中得到證實。激發(fā)和促進圖示激發(fā)和促進圖示進一步的研究證明，癌變過程是多階段過程，從良性腫瘤向惡性轉(zhuǎn)變的過程稱為進展(progression)階段。在引發(fā)和進展階段有細胞基因組(DNA)的結(jié)構(gòu)改變。在促長階段雖不涉及細胞基因組的結(jié)構(gòu)改變，但依賴于基因的表達改變。目前較為公認的學(xué)說認為：化學(xué)致癌過程至少包括3個階段：引發(fā)階段（initiation）、促長階段（promotion）、進展階段（progression）。重要（1）引發(fā)階段（initiation）引發(fā)階段是指化學(xué)物或其活性代謝物(親電子劑)與DNA作用，導(dǎo)致體細胞突變成引發(fā)細胞的階段。在引發(fā)過程中至少有三個細胞功能是重要的，即致癌物的代謝，DNA修復(fù)和細胞增殖。終致癌物引起DNA損傷可誘導(dǎo)DNA修復(fù)，DNA修復(fù)可能是無誤的，也可能將錯誤的堿基引入基因組，而細胞增殖對于產(chǎn)生基因組可遺傳的改變是必需的。引發(fā)階段歷時很短，引發(fā)作為一個突變事件，需要一次或多次細胞分裂來“固定”引發(fā)事件，引發(fā)所確定的基因型和／或表型是不可逆的。引發(fā)細胞在形態(tài)上與正常細胞很難區(qū)別。引發(fā)是不可逆的，但并非所有的引發(fā)細胞都將構(gòu)成腫瘤，因其中大多數(shù)將經(jīng)歷程序性細胞死亡(凋亡)。引發(fā)細胞不具有生長自主性，因此不是腫瘤細胞。引發(fā)劑本身有致癌性，大多數(shù)是致突變物，沒有可檢測的閾劑量，引發(fā)作用是不可逆的并且是累積性的。引發(fā)劑作用的靶主要是原癌基因和腫瘤抑制基因。引發(fā)階段的個體變異、物種差異及親器官特征是取決于細胞對致癌物的代謝、DNA修復(fù)及細胞增殖／凋亡的平衡。（２）促長階段（promotion）促長階段是引發(fā)細胞增殖成為癌前病變或良性腫瘤的過程。促長劑單獨使用不具致癌性，必須在引發(fā)劑后使用才發(fā)揮促長作用，促長劑通常是非致突變物，存在閾劑量和最大效應(yīng)，其劑量反應(yīng)關(guān)系呈S形曲線。促長劑作用的可能機制：促長劑通常影響引發(fā)細胞的增殖，導(dǎo)致局部增殖并引起良性局灶性病理損害如乳頭瘤、結(jié)節(jié)或息肉。這些病損很多會消退，僅少數(shù)細胞發(fā)生進一步突變引成惡性腫瘤。促長劑可能經(jīng)特異的受體中介干擾細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑、改變基因表達；促長劑可能在細胞和分子水平上通過改變細胞周期控制，選擇性促進引發(fā)細胞的增殖；促長劑還可能抑制程序性細胞死亡(凋亡)。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)持續(xù)給以促長劑是必需的。促長階段的另一個特點是對生理因素調(diào)節(jié)的敏感性，衰老、飲食和激素可影響促長作用。（３）進展階段（progression）進展階段是從引發(fā)細胞群(癌前病變、良性腫瘤)轉(zhuǎn)變成惡性腫瘤的過程，在進展期腫瘤獲得生長、侵襲和轉(zhuǎn)移。在進展期中可觀察到惡性腫瘤(癌)的多種特征，包括生長率增加、侵襲、轉(zhuǎn)移、對激素?zé)o反應(yīng)性、形態(tài)特征隨疾病的發(fā)展獨立地變異等。這些特征是由于在進展階段的核型不穩(wěn)定性。環(huán)境因素在早期可影響進展階段，但隨惡性腫瘤的生長和核型不穩(wěn)定性的發(fā)展，對環(huán)境因素的反應(yīng)可能喪失。作用于促長階段的細胞轉(zhuǎn)變成進展期的化學(xué)物稱為進展劑(progressor)，進展劑可引起染色體畸變，但不一定具有引發(fā)活性。進展劑導(dǎo)致核型不穩(wěn)定性的機制很多，包括有絲分裂裝置的紊亂、端粒功能改變、DNA低甲基化、重組、基因易位和基因擴增等。進展階段主要的特征是核型不穩(wěn)定性，腫瘤的染色體發(fā)生斷裂和斷片易位，存在多復(fù)本或部分／整個缺失。染色體結(jié)構(gòu)改變伴有細胞癌基因和／或腫瘤抑制基因的突變，這些突變可能反映了適于惡性生長的細胞選擇并也可能反過來增加了核型不穩(wěn)定性。這些突變可能來自于癌基因／腫瘤抑制基因的功能改變或由于化學(xué)致癌物暴露。兼有引發(fā)劑、促長劑和進展劑作用的化學(xué)致癌物可稱為完全致癌物(completecarcinogen)。綜上所述，化學(xué)致癌是長期的、復(fù)雜的多階段過程，至少涉及引發(fā)、促長和進展三個階段。在引發(fā)和進展階段涉及遺傳機制，在促長階段主要是遺傳外機制。在引發(fā)階段主要是細胞原癌基因和腫瘤抑制基因的突變，在進展階段主要是核型不穩(wěn)定性。正常細胞經(jīng)過遺傳學(xué)改變的積累才能轉(zhuǎn)變?yōu)榘┘毎?。第二?jié)化學(xué)致癌物質(zhì)凡是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即為化學(xué)致癌物。人類化學(xué)致癌物的分類2002年，國際癌癥研究所(IARC)對已進行致癌研究的化學(xué)物分為四類：1類，對人致癌性證據(jù)充分；有87種2類，對人類很可能或可能是致癌物A組對人致癌性證據(jù)有限，但對動物致癌性證據(jù)充分（63種），B組人致癌性證據(jù)有限，對動物致癌性證據(jù)也不充分（234種）；3類，可疑致癌物現(xiàn)有證據(jù)未能對人類致癌性進行分級評價（493種）；4類，對人可能是非致癌物（1種）美舍吡倫。重要自1981年起，Weisburger和Williams等主要按照致癌物的作用特點提出致癌物的分類表，以后又多次修改該表?，F(xiàn)在認為致癌物可分為三大類。1、遺傳毒性致癌物2、非遺傳毒性致癌物3、暫未確定遺傳毒性的致癌物1、遺傳毒性致癌物大部分“經(jīng)典”的有機致癌物基本上屬于這一大類。（1）直接致癌物（2）間接致癌物（3）無機致癌物(1)直接致癌物直接致癌物(directactingcarcinogen)可以不經(jīng)過代謝活化即具有活性的致癌物；其化學(xué)結(jié)構(gòu)的固有特性是不需要代謝活化即具有親電子活性，能與親核分子(包括DNA)共價結(jié)合形成加合物(adduct)。這類物質(zhì)絕大多數(shù)是合成的有機物，包括有：內(nèi)酯類（如β-丙烯內(nèi)酯，丙烷磺內(nèi)酯和a,β-不飽和六環(huán)丙酯類）；烯化環(huán)氧化物（如1,2,3,4-丁二烯環(huán)氧化物）；硫酸類酯；芥子氣和氮芥等；活性鹵代烴類（如雙氯甲醚、芐基氯、甲基碘和二甲氨基甲酰氯），其中雙氯甲醇的高級鹵代烴同系物隨著烷基的碳原子增多，致癌活性下降。除前述烷化劑外，一些鉑的配位絡(luò)合物(如二氯二氨基鉑，二氯(吡咯烷)鉑，以及二氧-1、2-二氨基環(huán)己烷鉑)也有直接致癌活性，通常其順式異構(gòu)體的活性較反式異構(gòu)體高。

(2)間接致癌物間接致癌物(indirectactingcarcinogen)本身并不直接致癌，必須經(jīng)代謝活化才具有致癌活性的致癌物，這類致癌物往往不能在接觸的局部致癌，而在其發(fā)生代謝活化的組織中致癌。包括：多環(huán)或雜環(huán)芳烴：如苯并(a)芘、苯并(a)蒽、3-甲基膽蒽、7,12-H甲苯并(a)蒽、二苯并(a,h)蒽等；芳香胺：單環(huán)芳香胺（如鄰甲苯胺、鄰茴香胺）；雙環(huán)或多環(huán)芳香胺（如2-萘胺、聯(lián)苯胺等）；偶氮化合物(如二甲氨基偶氮苯等)；亞硝胺類。天然物質(zhì)及其加工產(chǎn)物在國際癌癥研究中心(IARC)1978年公布的34種人類致癌物中占5種，黃曲霉毒素、環(huán)孢素A、煙草和煙氣、檳榔及酒精性飲料。黃曲霉毒素B1已知最強烈的致癌物之一，主要在肝內(nèi)代謝，環(huán)氧化產(chǎn)物，可與DNA形成加合物。也可通過羥化和去甲基化形成羥化產(chǎn)物，使致癌活性降低。一些毒菌的產(chǎn)物，如環(huán)孢素A、阿霉素、道諾霉素、更生霉素也是前致癌物。這些物質(zhì)常作為藥物使用。煙草即使未經(jīng)燃燒和熱解也會含有亞硝基去甲菸堿等致癌物。煙草的煙氣中更含有多種致癌物，如多環(huán)芳烴、雜環(huán)化合物、酚類衍生物等致癌物。煙草的煙氣中還含有大量促癌物，這就是提倡戒煙的原因之一。嚼食煙葉和使用鼻煙時所含的亞硝胺能誘發(fā)口腔癌和上呼吸道癌。檳榔中的檳榔堿可形成亞硝胺，口嚼檳榔使口腔癌和上消化道發(fā)癌率和死亡率增高。（3）無機致癌物鈷、鐳、氡可能由于其放射性而致癌。鎳、鉻、鉛、鈹及其某些鹽類均可在一定條件下致癌，其中鎳和鈦的致癌性最強。2、非遺傳毒性致癌物指根據(jù)目前的試驗證明不能與DNA發(fā)生反應(yīng)的致癌物（6類）。（1）促長劑雖然促長劑單獨不致癌，卻可促進亞致癌劑量的致癌物與機體接觸啟動后致癌，所以認為促癌作用是致癌作用的必要條件。巴豆油（佛波脂，TPA）是二階段小鼠皮膚癌誘發(fā)試驗中的典型促癌劑，在體外多種細胞系統(tǒng)中有促癌作用。苯巴比妥對大鼠或小鼠的肝癌發(fā)生有促癌作用。色氨酸及其代謝產(chǎn)物和糖精對膀胱癌也有促癌作用。（2）細胞毒物最老的理論認為慢性刺激可以致癌，目前認為導(dǎo)致細胞死亡的物質(zhì)可引起代償性增生，以致發(fā)生腫瘤。其確切機理尚不清楚，但可能涉及機體對環(huán)境有害因素致癌作用的易感性增高。一些氯代烴類促癌劑作用機理可能與細胞毒性作用有關(guān)。氮川三乙酸氮川三乙酸（nitrilotriaceticacid,NTA）可致大鼠和小鼠腎癌和膀胱癌，初步發(fā)現(xiàn)其作用機理是將血液中的鋅帶入腎小管超濾液，并被腎小管上皮重吸收。由于鋅對這些細胞具有毒性，可造成損傷并導(dǎo)致細胞死亡，結(jié)果是引起增生和腎腫瘤形成。在尿液中NTA還與鈣絡(luò)合，使鈣由腎盂和膀胱的移行上皮滲出，以致刺激細胞增殖，并形成腫瘤。（3）激素40年前就發(fā)現(xiàn)雌性激素可引起動物腫瘤。以后發(fā)現(xiàn)多數(shù)干擾內(nèi)分泌器官功能的物質(zhì)可使這些器官的腫瘤增多。雌激素的致癌機理尚不清楚，但很可能與促癌作用有關(guān)；一般認為需要長期在體內(nèi)維持高水平激素才能在內(nèi)分泌敏感器官中誘發(fā)腫瘤。孕婦使用人工合成的雌激素（已烯雌酚，DES）保胎時，可能使下一代的青春期女子發(fā)生陰道透明細胞癌。其機理相當(dāng)復(fù)雜。（4）免疫抑制劑免疫抑制過程從多方面影響腫瘤形成。硫唑嘌呤、6-巰基嘌呤等免疫抑制劑或免疫血清均能使動物和人發(fā)生白血病或淋巴瘤，但很少發(fā)生實體腫瘤。環(huán)孢素A是近年器官移植中使用的免疫抑制劑，曾認為不致癌。但現(xiàn)已查明，使用過該藥患者的淋巴瘤的發(fā)生率增高。（5）固態(tài)物質(zhì)嚙齒動物皮下包埋塑料后，經(jīng)過較長的潛伏期，可導(dǎo)致肉瘤形成。其化學(xué)成分并不重要，只要是薄片，即使是金屬也和各種塑料同樣可導(dǎo)致腫瘤形成。關(guān)鍵是大小和形狀，而且光滑者比粗糙者更有效，有孔的比無孔的效果差。其作用機理可能是固態(tài)物質(zhì)可對上皮成纖維細胞增殖提供基底。石棉和其他礦物粉塵，如鈾礦或赤鐵礦粉塵，可增強吸煙致肺癌的作用。（6）過氧化物酶體增生劑具有使嚙齒動物肝臟中的過氧化物酶體（一種單層膜的亞細胞器）增生的各種物質(zhì)都可誘發(fā)肝腫瘤。目前認為，肝過氧化物酶體及H202增多，可導(dǎo)致活性氧增多，發(fā)生信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用，造成DNA損傷并啟動致癌過程。已發(fā)現(xiàn)的過氧化物酶體增生劑有：降血脂藥物安妥明、鄰苯二甲酸乙基己酯。3、暫未確定遺傳毒性的致癌物還有一些則致癌方式尚未完全闡明，例如四氯化碳、某些多氯烷烴和烯烴等。這些物質(zhì)在致突變試驗中為陰性或可疑，體內(nèi)和體外研究又未顯示出能轉(zhuǎn)化為活性親電子性代謝產(chǎn)物。第三節(jié)化學(xué)毒物致癌性的判別1用于致癌物篩選的短期試驗致突變試驗：①基因突變試驗：鼠傷寒沙門氏菌回復(fù)突變試驗(Ames試驗);②染色體畸變試驗：體外細胞系細胞遺傳學(xué)分析，小鼠骨髓微核試驗，大鼠骨髓染色體畸變試驗;③原發(fā)性DNA損傷：DNA加合物，鏈斷裂，DNA修復(fù)誘導(dǎo)(細菌SOS反應(yīng)，大鼠肝UDS誘導(dǎo))，SCE試驗；④體外細胞轉(zhuǎn)化：敘利亞地鼠胚胎細胞，Balb/c3T3細胞。Ames試驗對于誘變作用的致癌性可以檢出大部分，但對于無誘變性的致癌物則不能準(zhǔn)確判定。重要2動物誘癌實驗（1）小鼠皮膚腫瘤誘發(fā)試驗：于小鼠皮膚局部連續(xù)涂抹受試物，以觀察皮膚乳頭瘤和癌的發(fā)生，一般20周可結(jié)束實驗，較敏感的小鼠為SENCAR小鼠。此試驗也可設(shè)計為檢測受試物的引發(fā)活性或促長活性。典型的引發(fā)劑為致癌性多環(huán)芳烴，促長劑為佛波醇酯(TPA)。（2）哺乳動物長期致癌試驗：試驗動物物種和品系：要求用兩種實驗動物，常規(guī)選用大鼠和小鼠，也可用倉鼠。嚙齒類動物對多數(shù)致癌物易感性較高，壽命相對較短，費用也較低，生理和病理學(xué)資料較完備，因此使用最廣泛。在選擇品系時應(yīng)選擇較敏感、自發(fā)腫瘤率低、生活力強及壽命較長的品系。性別：為接近人類情況，應(yīng)使用同等數(shù)量的雌雄兩種性別的動物。年齡：使用剛斷乳的動物，以保證有足夠長的染毒和發(fā)生癌癥的時間，而且幼年動物解毒酶及免疫系統(tǒng)尚未完善，對致癌作用比較敏