毒理学第八章外源化学物致癌作用课件

第八章外源化学物致癌作用肿瘤(tumor,neoplasm)：具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。人体任何部位、任何组织都可以发生肿瘤。肿瘤分类：1、良性肿瘤：呈膨胀生长，与周围组织有明显界限，多有包膜，生长具有“自限性”，对机体的破坏性小。2、恶性肿瘤：呈增殖失控，细胞异常分化，且具有侵袭和转移能力。（1）癌（carcinoma）：上皮细胞来源的恶性肿瘤（2）肉瘤（sarcoma）：由间质细胞来源的恶性肿瘤毒理学中的“癌”是一种广义的概念，包括：癌、肉瘤及良性肿瘤。实际上毒理学中所指的化学致癌作用，是指化学致肿瘤作用。化学致癌作用(chemicalcarcinogenesis)：是指化学物质引起或诱导正常细胞发生恶性转化并发展成为肿瘤的过程。化学致癌物(chemicalcarcinogen)：凡是能引起生物体肿瘤，增加其发病率或死亡率的化学物。1775年由英国的Pott报导煤烟和煤焦油是清扫烟囱工人阴囊癌的主要病因。瑞典的Reher观察到，苯胺染料生产工人膀胱癌的发病率升高，当时认为苯胺为致癌原因，后来发现主要与在其生产中同时存在的联苯胺及β-萘胺有关。英国的Kennaway从焦油沥青中分馏出致癌物苯并（a）芘，又陆续报导了一些多环芳烃类物质可引起肿瘤的发病率提高。第一节化学致癌过程细胞癌变的多阶段学说➢肿瘤发生是一个长期的、多阶段、多基因改变累积的过程，具有多基因控制和多因素调节的复杂性。➢化学致癌过程至少可分为:引发（initiation）促长（promotion）进展（progression）1.引发阶段（Initiation)2.促长阶段（Promotion)3.进展阶段（Progression)DNA损伤损伤固定遗传性状改变突变细胞在内、外因素的作用下，促进肿瘤细胞的分裂和增生突变细胞生长速度快侵袭性和转移能力强生理生化和免疫性状改变（进展）正常上皮结肠癌的多阶段模型上皮过度增殖早期腺瘤中期腺瘤晚期腺瘤原位癌浸润转移引发阶段促长阶段进展阶段由抑癌基因APC丢失开始，癌基因Ras突变促进克隆的发展，导致腺瘤发生。抑癌基因DCC和p53缺失，促进结肠肿瘤从良性到恶性发展。1、引发阶段引发（启动）是遗传毒性发生的过程，是化学致癌的第一步。致癌物直接作用于DNA，引起基因突变，使单个或少量细胞发生永久性的、不可逆的遗传性改变，成为突变细胞，或称“启动细胞”，诱发细胞突变的因素称为引发剂（启动剂）。启动细胞的表型可能正常，它必须通过克隆扩增才能形成良性损伤。在接触致癌物与发生细胞转化之间要有一个相当长的潜伏期，需要启动效应的遗传传递。1.引发阶段（Initiation)2.促长阶段（Promotion)3.进展阶段（Progression)DNA损伤损伤固定遗传性状改变突变细胞在内、外因素的作用下，促进肿瘤细胞的分裂和增长突变细胞生长速度快侵袭性和转移能力强生化学和免疫性状改变引发阶段的主要特征➢不可逆➢需要通过细胞分裂加以固定➢剂量-反应显示没有可测定的阈值，无可测定的最大反应➢存在自发的引发作用➢对外源性化学物质和其他化学因素敏感➢引发作用必须发生在促长作用之前，“纯”引发作用在无促长时不导致肿瘤2、促长阶段细胞在致癌物的作用下变成启动细胞后，在某些因素作用下，以相对于周围正常细胞的选择优势进行克隆扩增，形成镜下或肉眼可见的细胞群，即良性肿瘤（如乳头状瘤或腺瘤）。促长价段癌细胞的表型发生变化，恶性肿瘤细胞的各种性状得以表达。起促进作用的因素称为促长剂或促癌剂。促癌剂包括多种人类环境中存在的因子，如TCDD、苯巴比妥，以及高盐高脂饮食、糖精、香烟烟雾等。其中烟雾既是肺癌、胰腺癌、食道癌和其它器官癌的启动剂，同时也是促癌剂。人体内的一些内源性物质也具有促癌作用，如雌激素对乳腺癌有促进作用；胆酸是结肠癌与肝癌的促进剂。促癌剂的作用机理：①通过细胞毒性或激素作用刺激细胞增殖。如高脂肪饮食可使乳腺癌的发病率增高，原因是高脂肪饮食可使催乳素分泌增多，而催乳素对乳腺癌的发生有促进作用。②抑制细胞间的信息互通，从而解除细胞生长的接触抑制，使启动了的细胞能逃脱周围正常细胞的抑制，出现增殖失控。③免疫抑制。1.引发阶段（Initiation)2.促长阶段（Promotion)3.进展阶段（Progression)DNA损伤损伤固定遗传性状改变突变细胞在内、外因素的作用下，促进肿瘤细胞的分裂和增长突变细胞生长速度快侵袭性和转移能力强生化学和免疫性状改变促长阶段的主要特征➢可逆性➢促长剂通常是非致突变物，需要持续和反复暴露➢促长剂的有效性仅出现在引发作用之后➢促长细胞群的存在取决于促长剂的持续存在➢内源性促长剂可起自发促长作用➢剂量-反应显示有可测定的阈值，有可测定的最大效应➢对饮食和激素等因素敏感➢促长作用的相对效力取决于达到最大效应的时间和剂量速率引发剂与促癌剂对小鼠皮肤诱发肿瘤的阶段性组别肿瘤（1）IIIIIIIII+反复多次给予引发剂可诱发肿瘤（2）I－引发后无促癌剂则不能发生肿瘤（3）PPPPPPPP－无引发剂，仅有促癌剂也不发生肿瘤（4）IPPPPPPP+引发后，多次给予促癌剂则可发生肿瘤（5）IPPPP－引发后，促癌剂接触次数少不发生肿瘤（6）PPPPPI－先促癌剂，后引发剂也不发生肿瘤（7）IPPPPPP+引发后经过一定时间再给予促癌剂可发生肿瘤3、进展阶段➢指在肿瘤形成过程中，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恶性肿瘤的生物学特征，如生长速度、侵袭性、转移能力、以及生理生化、免疫性能的改变等。➢当细胞开始失去维持核型稳定的能力并出现染色体畸变时，它们即进入进展期。核型不稳定性进一步促进肿瘤细胞的生长和恶性表型的发展，同时引起细胞代谢调节功能的改变，且逃避机体免疫监视等功能。1.引发阶段（Initiation)2.促长阶段（Promotion)3.进展阶段（Progression)DNA损伤损伤固定遗传性状改变突变细胞在内、外因素的作用下，促进肿瘤细胞的分裂和增长突变细胞生长速度快侵袭性和转移能力强生化学和免疫性状改变进展阶段的主要特征➢不可逆➢伴随生长率和侵袭性的增加出现核型异常，核型不稳定性导致细胞基因组结构的形态学改变➢有可测定的和/或形态学可描述的细胞基因组的改变➢进展的早期阶段对环境因素敏感➢可见良性和/或恶性肿瘤➢促进展剂可促进细胞进入该阶段，但可能不是引发剂➢可以发生自发的进展作用前致癌物终致癌物活化正常细胞致癌物-DNA加合物DNA复制错配修复失败DNA修复细胞死亡细胞含错配碱基引发的细胞分化的细胞不分化的细胞转移促长进展化学致癌过程的主要阶段修复遗传易感性与化学致癌单核苷酸多态性特定基因的遗传多态性个体的遗传易感性肿瘤第二节化学致癌机制化学致癌作用：多因素、多基因参与的多阶段过程。➢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一、体细胞突变学说体细胞突变学说的依据：•1、致癌物代谢活化后生成的DNA加合物诱导基因突变；•2、大多数致癌物在致突变实验中呈阳性；•3、DNA修复缺陷可以导致肿瘤发生；•4、许多肿瘤组织中发生染色体畸变和基因组不稳定性；•5、肿瘤细胞来源于单细胞克隆；•6、癌基因突变及抑癌基因突变和缺失在肿瘤细胞中普遍存在，且突变的基因型可以通过细胞分裂传递给子代细胞。（一）与致癌作用有关的代谢人们接触的大多数致癌物是间接致癌物，必须通过酶系统的代谢活化，形成终致癌物才能发挥其致癌作用。体内正常的生物转化酶的作用：一是解毒（水解、还原、氧化反应），二是使外来化合物的极性增加（结合反应），容易排出体外。在某些情况下，生物转化酶也可作用于外来化合物，产生代谢活化作用，如无活性的间接致癌物，可以在体内生物转化酶系统的作用下，经代谢活化转变为终致癌物。化学致癌物的代谢特点:（1）代谢以氧化过程为主，所形成的终致癌物具有亲电子性，能与DNA、RNA、蛋白质结合，导致损伤效应，引起突变，诱发肿瘤。（2）致癌物的代谢活化可在多种组织、器官中进行，虽有组织特异性，但以肝脏为主。（3）人和动物对化学致癌物的代谢在种属、品系、家族和个体上的差异与遗传因素决定的代谢酶多态性有关，致癌物代谢酶的活性因人而异，个体间的差异可达30-100倍，个别甚至达1000倍。DNA加合物（DNAadduct）化学致癌物在体内生物转化酶系统作用下，经代谢活化，产生具有致癌作用的终致癌物，后者含有亲电子结构，能与体内的生物大分子如DNA上的亲核基团发生共价结合，导致DNA的突变，引起DNA损伤。致癌物与DNA大分子的结合具有位点特异性，不同位点的加合物有不同的生物学效应，绝大多数化学致癌物加合物形成位点与基因突变位点密切联系。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和致癌物的相互作用可活化肿瘤基因亲电性化合物DNA,RNA,蛋白质亲核基团加合物碱基突变、缺失、插入、交联基因结构改变肿瘤细胞、血液、尿共价结合（二）DNA修复与化学致癌➢正确修复：受损的DNA完全回复到原有的结构与功能，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。DNA损伤-----修复-----突变-----肿瘤化学致癌物能否引发肿瘤既取决于它们对机体生物大分子尤其是DNA的损伤，也取决于机体对损伤DNA的修复能力。DNA受化学致癌物作用而损伤后，可能通过糖基化酶排除损伤的碱基或切除化学损伤周围的一段碱基，从而迅速修复，接着由DNA聚合酶催化正常序列的合成。DNA修复机制十分复杂，由一些DNA损伤修复基因调控，涉及一些酶系统，如甲基转移酶、糖基转移酶、以及各种类型的损伤特异修复酶。DNA损伤修复存在不均一性和可诱导性不均一性表现在不同个体、不同器官和不同种类细胞之间的修复能力不同，也表现为同一细胞内不同基因片段上的损伤获得的修复机会不同等，即表达基因优先于静止基因，调控基因优先于功能基因。可诱导性是指细胞修复DNA的能力并不是固定不变的，可被相关因素所诱导。在小剂量损伤因素的连续刺激下，DNA损伤修复的能力会升高。（三）癌基因、原癌基因及抑癌基因DNA上原（前）癌基因、抑癌基因很可能是化学致癌物的靶分子。➢癌基因（oncogene）：一类在自然或实验条件下能引起细胞恶性转化及癌变的基因。➢多数癌基因表达产物都是细胞信号转导系统的组成成分，作为细胞生长因子和细胞生长因子受体、核转录因子或转录调节蛋白，促进细胞有丝分裂，参与细胞周期的调控等。❑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（proto-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等，癌基因是化学致癌物作用的靶分子。癌基因通常以原（前）癌基因的形式普遍存在于正常动物细胞的基因组内，原癌基因在进化过程中高度保守，它们在细胞中行使正常的生物学功能，对细胞增殖、分化和信息传递的调控起重要作用。化学、物理或生物等致癌因素作用于细胞后，引起原癌基因突变并使之激活，转变成癌基因后才会导致细胞癌变。原癌基因癌基因突变致癌物癌变原癌基因与癌基因关系示意图➢抑癌基因（anti-oncogene）：又称肿瘤抑制基因（tumorsuppressorgenes）、肿瘤易感基因（tumorsusceptibilitygene)，指对细胞生长、增殖和分化起负性调节的基因，即抑癌作用。➢是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。➢由于