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5.2环境化学物的致癌作用及其评价
5.2 环境化学物的致癌作用及其评价
一、环境致癌、化学致癌
二、化学致癌的机制
三、环境化学致癌物的分类
四、环境化学致癌物的评价
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一、环境致癌、化学致癌
1.化学致癌(chemical carcinogenesis)
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。
2.化学致癌物(chemical carcinogen)
能引起正常细胞发生恶性转化并发展成肿瘤的化学污染物质。
美国各种因素引起癌症死亡所占的比例
（Doll & Peto，1981)
化学致癌研究的重要历史事件（1）
化学致癌研究的重要历史事件（2）
二、化学致癌机制
遗传机制学派（genetic theory)
亲电子剂学说
体细胞突变学说
癌基因学说
多阶段学说
遗传外机制学派（epigenetic theory)
(—)化学致癌的非遗传机制
1.主要证据
①肿瘤的形成与细胞的分化和增生有关
②肿瘤的癌性状态有时候是可逆的
③致癌作用可由非诱变剂引起
④并非所有致癌物都是致突变物
⑤致癌作用与DNA甲基化的改变有关
⑥体外细胞转化的频率很高
2. 常见动物非遗传毒性化学致癌物
(二) 化学致癌的癌基因学说
1.癌基因(oncogene)
一类能引起细胞恶性转化及癌变的基因，是化学致癌物作用的主要靶分子，在细胞癌变过程中起关键作用。
本身是正常的细胞基因，起调控细胞生长分化的作用，在进化过程中高度保守，在除胚胎期或组织的再生和修复过程中表达外，通常处于静止状态，在化学致癌物、某些物理因素和生物因素的作用下被激活而进行表达，促进细胞分裂增殖，引起细胞转化，最终形成肿瘤。
2.细胞原癌基因
3.原癌基因的发现与存在证据
(1)体细胞杂交
(2)染色体导入和微细胞转移
(3)遗传性肿瘤研究
（1）生长因子和生长因子受体类
β
α
β
4. 原癌基因的功能分类
（2）细胞信号转导分子类
（3）转录因子类
5.原癌基因的激活机制
原癌基因点突变
原癌基因扩增
染色体易位与基因重排
原癌基因抑制解除
抑癌基因缺失
化学致癌物诱发的ras家族原癌基因的点突变
人类肿瘤中癌基因的扩增
6.抑癌基因(tumor suppressor gene)
作用方式与癌基因相反，它们在正常细胞中起着抑制细胞增殖和促进分化的作用，在环境致癌因素的作用下，抑癌基因发生纯合缺失或失活亦会引起细胞的恶性转化而致癌。抑癌基因必须一对等位基因丢失或突变后失活，才能对细胞的恶性转化起作用，故又称为隐性癌基因(recessive oncogene)。
已知的和候选的抑癌基因（1）
已知的和候选的抑癌基因（2）
7.致癌过程中涉及的两组基因比较
8.家族性结肠直肠癌癌变的遗传学模型
(三) 化学致癌的阶段学说
致癌作用多阶段模式图
1.引发阶段
引发是一个遗传毒性事件，致癌物直接作用于DNA的初级序列，引起基因突变，使原癌基因活化或抑癌基因失活，使细胞成为具有发展为肿瘤潜能的引发细胞 (initiated cell)。
引发细胞不具有生长自主性，因此不是肿瘤细胞。
引发剂本身有致癌性，大多数是致突变物，没有可检测的阈剂量，引发作用是不可逆的，并且是累积性的。引发剂作用的靶主要是原癌基因和肿瘤抑制基因。引发阶段的个体变异、物种差异及亲器官特征取决于细胞对致癌物的代谢、DNA修复及细胞增殖／凋亡的平衡。
2.促进阶段
引发细胞增殖成为癌前病变或良性肿瘤的过程中促进阶段历时较长，早期有可逆性，晚期为不可逆的，在促进阶段(特别是在早期)持续给以促长剂是必需的。衰老、饮食和激素可影响促进作用。
促长剂本身不能诱发肿瘤，通常是非致突变物，通常具有阈剂量，其剂量反应关系呈S形曲线。促长剂通过启动细胞选择性生长优势或抑制正常细胞生长，或两者兼而有之，使启动细胞克隆扩增。
促癌剂致癌作用的靶器官
3.进展阶段
从引发细胞群(癌前病变、良性肿瘤)转变成恶性肿瘤的过程。尽管在演变过程中基因组在分子水平上不断发生多种改变，但基本上可概括为核型不稳定以及表型的异质性。
兼有引发剂、促长剂和进展剂作用的化学致癌物可称为完全致癌物。
致癌作用可能的进展剂
多阶段致癌的形态学和生物学特征
三、化学致癌物的分类
按化学性质分类
按致癌机制分类
按作用结果分类
化学致癌物的种类
根据致癌机制分类
致癌物分类
证据 权重 IARC分类 USEPA分类 ACGHI分类
人群流行 足够 1 A A1
病学资料 （人致癌物） （人致癌物）
有限 2A B1 A2
(人的可能致癌物) (人的可能致癌物) （可疑的人致癌物）
长期动物 足够 2A/2B B2 A2
致癌试验 (或许为人的致癌物)
有限 2B C -
(或许为人的致癌物)
证据不足 3 D -
证据为阴性 4 E -
证据不足以评定 - - -
IARC评价的各类致癌因素的数量变化
四、化学物致癌性的鉴定
(一)哺乳动物致癌试验
1.试验动物
常规选用大鼠和小鼠，也可用仓鼠。
品系应选择较敏感、自发肿瘤率低、生活力强
及寿命较长的品系。
性别：应使用同等数量的雌雄两种性别的动物。
年龄：使用刚离乳的动物。
一般设三个试验组。美国NCI推荐以最大耐受剂量(MTD)为高剂量。高剂量选择可以根据：①毒性终点，即最大耐受剂量(MTD)；②药代动力学终点，啮齿动物血浆AUC(时量曲线下面积)为人的25倍；③选择吸收饱和剂量；④药效学终点，不应产生生理学和内稳态紊乱；⑤最大可行剂量，受试物在饲料中最高含量为5％。限制剂量为1500mg／(kg体质量·d)。每组至少有雌雄各50只动物，希望在出现第一个肿瘤时，每组还有不少于25只动物。
2. 剂量选择和动物数量
3.染毒途径
应尽可能模拟人体可能的暴露途径，主要途 径有经口、经皮和吸入三种。
4.试验期限
一般情况下，试验期限小鼠和仓鼠应为18个月，大鼠为24个月；当最低剂量组或对照组存活的动物只有25％时，可以结束试验。
▲一般观察 ▲病理检查 ▲结果分析
致癌试验阳性的判定标准（WHO）
(1)对于对照组也出现的一种或数种肿瘤，试验组
肿瘤发生率增加。
(2)试验组发生对照组没有的肿瘤类型。
(3)试验组肿瘤发生早于对照组。
(4)与对照组比较，试验组每个动物的平均肿瘤数
增加。
5.观察和结果分析
长期化学致癌作用的生物分析(动物致癌试验)
为保证假阴性率在5％以下所需每组最低动物数
肿瘤发生率超过自发率(％) 肿瘤自发率(％)
1 10 20
0.1 226747 1958629 3471874
1 3310 20530 35471
5 295 979 1645
10 121 289 423
15 74 147 202
20 52 92 121
25 40 65 82
基于 Fisher 精确检验(p<0．05)
(二)致癌物筛选的短期试验
①基因突变试验：
鼠伤寒沙门氏菌回复突变试验(Ames试验)，培养哺乳动物细胞TK或HPRT正向突变试验。
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，链断裂，DNA修复诱导(细菌SOS反应，大鼠肝UDS诱导)，SCE试验。
1.分类
2.短期遗传毒性试验的优缺点
(三)体外细胞转化的实验
1.靶细胞
最常用的细胞系(株)是金黄地鼠胚胎细胞、肾细胞或乳鼠肺细胞；其次是小鼠胚胎细胞、成纤维细胞、前列腺细胞、 肺细胞，第三是大鼠胚胎细胞、肺成纤维细胞、气管上皮细胞、肝上皮细胞，人胚胎细胞、气管上皮细胞。
2.细胞转化的判别标准
细胞形态学及生长状况的改变、染色体核型异常、细胞转化灶形态(化学致癌因子与辐射诱发细胞转化灶形态不同)、半固体琼脂培养基中形成集落的能力，以及在免疫抑制动物或裸鼠体内的致瘤能力等 。
正常与转化细胞及恶性转化细胞的鉴别(成纤维细胞)
两种细胞的恶性转化试验的效果
细胞株 灵敏度 特异度
SHE 87％(26／30) 83％(15／18)
BALB／c3T3 80％(64／80) 60％(40／67)
(四)哺乳动物短期致癌试验
1.小鼠皮肤肿瘤诱发试验
2.小鼠肺瘤诱发试验
3.大鼠肝转化灶诱发试验
4.雌性大鼠乳腺癌诱发试验
短期动物致癌实验的观察终点不以恶性
肿瘤为目的，而是以癌前病灶为目的。
(五)人群流行病学研究
1.优点
(1)人是癌症的最终指示者；
(2)可对敏感人群进行评价；
(3)可对职业暴露进行队列研究；
(4)是环境的警戒哨兵。
2. 缺点
(1)通常是回顾性的(死亡证明，有回忆偏倚等)；
(2)不敏感，费用昂贵，时间长；
(3)没有确实的暴露资料可用，或者不易获得；
(4)对化学物暴露往往是联合的、多种的和复杂的；
(5)常常缺乏适宜的队列；
(6)由于伦理与道德上的原因不能对人进行实验；
(7)所获得的结果是癌症的检出而不是预防。
(六)构效关系分析预测致癌性
1.优点
(1)相对容易、快速与经济；
(2)对某些种类的化学物是可靠的，如亚硝胺：类、抗生素类、蒽醌类和联苯胺染料；
(3)计算机适应与相容。
2. 缺点
(1)此种方法是非“生物学的”；
(2)对公式表示的规则会有例外；
(3)有假阳性和假阴性；
(4)用根本不同的理论系统和版本来进行相互矛盾的预测；
(5)主要是回顾性的，很少是前瞻性的。
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