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临床肿瘤学第三章肿瘤的病因第3章肿瘤的病因目录第一节肿瘤病因概述第二节化学致癌因素一化学致癌物及其特性二化学致癌的基本原理三化学致癌物的检测及风险评价四分子流行病学:肿瘤病因研究的新里程碑第三节物理致癌因素一电离辐射二紫外线辐射三石棉第四节生物致癌因素一寄生虫和细菌二病毒主要参考文献索引第3章肿瘤的病因第1节肿瘤病因概述医生在临床实践中或在肿瘤防治咨询活动中,常常被问及诸如“为什么会长肿瘤?”、“是什么原因引起这种疾病?”等涉及肿瘤病因学的问题要准确地回答这个问题并不容易,因为这正是临床医生和基础研究工作者长期以来不断在寻求解答的问题,而且至今尚未得到圆满的答案然而这不是说人类对肿瘤的病因还一无所知,而是说肿瘤的病因和发病机制非常复杂常常是一种致癌因素可诱发多种肿瘤,而一种肿瘤又可能有多种病因再者,即使暴露于同一种致癌因素,也并非人人都发生肿瘤总的来说,大多数肿瘤的病因还没有被完全了解,尽管这一领域的研究已经取得了很大的进展从远古时代一直到中世纪,肿瘤和其他疾病都被认为是四种决定个人生理和病理属性的体液(血液、粘液、黄胆汁和黑胆汁)改变的结果随着近代科学技术特别是20世纪生物科学技术的飞速发展,目前人类对肿瘤病因的认识已经深入到了细胞水平和分子水平根据现代细胞生物学观点,肿瘤是一类细胞疾病,其基本特征是细胞的异常生长由于每个肿瘤都起源于单一细胞,所以肿瘤细胞的恶性行为是通过细胞增殖传递给子代细胞的,这表明肿瘤是涉及DNA(遗传基因)结构和功能改变的疾病然而,这绝不是说肿瘤是遗传病,尽管有小部分肿瘤确实是直接由易患性基因的遗传而产生的说肿瘤是涉及DNA结构和功能的疾病,是指肿瘤的发生与形成肿瘤的那些细胞的DNA损伤密切相关DNA极易损伤和改变,这是生物进化和适应的关键所在如果DNA不能被环境的力量所改变的话,那么就不会有允许自然选择发生的多样性遗传潜能的存在从肿瘤的基本特征及其定义出发,理论上,任何引起DNA损伤并最后导致细胞异常生长和异常分化的物质,都是潜在的致癌因素实际上,肿瘤是我们人类长期对环境的适应所付出的代价目前普遍认为,绝大多数肿瘤是环境因素与细胞的遗传物质相互作用引起的这里所说的“环境因素”是指诸如香烟、膳食成分、环境污染物、药物、辐射和感染原等等肿瘤分布的世界性地区差异、移民流行病学、动物致癌实验以及人类细胞体外恶性转化实验,都支持环境因素是大多数肿瘤的病因这个观点然而,必须指出的是,虽然环境因素是肿瘤发生的始动因素,但宿主自身因素(如遗传特性、年龄、性别、免疫和营养状况等)在肿瘤的发生和发展过程中起重要作用同样暴露于特定的环境致癌物,有些人发生肿瘤,而另一些人则不发生肿瘤例如,在吸烟者中只有部分人发生肿瘤,而大多数人却能活过正常寿命期;同在一个特定肿瘤的高危险地区,也只有某些个体发病,只是总的发生率较高罢了这些事实以及越来越多的研究资料表明,大多数肿瘤是环境-基因相互作用的结果这个概念不但科学地概括了大多数肿瘤发生的原因,而且提供了一个乐观的信息,即大多数肿瘤的病因是外源性的而不是先天的或遗传的,因此是可以预防的就环境因素而言,现在一般把致癌的因素分为三大类,即生物(主要是病毒)、物理(主要是辐射)和化学物质人主要是通过各种生活方式或职业接触暴露于这些致癌因素而且,在多数情况下,人类不是简单地暴露于单一的致癌因素,而往往是通过各种生活方式暴露于复杂的致癌物混合物本章主要介绍环境因素与肿瘤发生和发展关系的概况,至于特定肿瘤的病因,请参阅相关的章节林东昕第2节化学致癌因素在18和19世纪时就已提出化学物质与人类癌症有关,因为当时在临床上发现,长期职业接触煤烟、煤焦油、沥青、页岩和石油的人,皮肤癌、肺癌和其他癌症的发病率显著增加但直到20世纪初,才弄清上述有机物中主要的致癌成分为多环芳烃类,直接涂抹这些致癌物可诱发啮齿类皮肤癌在这个时期,还发现另一类化合物即芳香胺类也具有致癌性当时这类化合物正作为合成染料的中间体和橡胶及润滑油的抗氧化剂被广泛使用1895年,德国医生LudwigRehn提出职业接触芳香胺可发生膀胱癌他对芳香胺诱发膀胱癌的机理提出很有见地的设想,他说“你只能想象这些致癌物是存在于从肾脏排泄下来的尿液中,而且是通过化学刺激引起肿瘤的”然而,直到1938年才证明芳香胺类可诱发狗的膀胱肿瘤到20世纪,人们通过动物实验或已知的人类暴露资料,又发现一些化合物也具有致癌性目前认为,对人类总的癌症风险而言,最重要的化学致癌物是香烟中的许多致癌成分其他的化学致癌物主要是燃烧和有机合成产物、某些食物成分、微生物污染产物或食品制备过程产生的物质此外,人体本身的某些生理和病理过程如炎症、氧化应激反应、营养和激素失衡以及反复的组织损伤等,也可产生致癌的化学物质如氧自由基等据估计,大约90%的人类癌症是各种环境因素引起的,其中化学因素占主要地位但是,与其说大多数人类癌症归因于外源性化学物质,不如说环境中那些具有与DNA相互作用能力的,以及那些对细胞增殖和功能有影响的化学物质,都可能对癌症发生具有重要作用
1、化学致癌物及其特性可引起动物和人类肿瘤的化学致癌物种类繁多,其性质和作用机制多种多样虽然化学致癌物种类很多,但大多数化学致癌物有一个共同的性质,即可形成亲电子性的衍生物在细胞内,亲电子的致癌物极易与亲核的细胞大分子如核酸和蛋白质发生相互作用这类致癌物称基因毒性致癌物(genotoxiccarcinogen)有一些基因毒性致癌物原本就是亲电子的如某些烷化剂和酰化剂,但大多数需要在细胞内经代谢转化变成亲电子的衍生物这个过程称代谢活化(metabolicactivation),需要代谢活化的母体致癌物称前致癌物(procarcinogen),可与细胞大分子结合的亲电子代谢产物叫最终致癌物(ultimatecarcinogen)体内有许多代谢途径可激活致癌物,这些代谢途径非常复杂,而且常常相互作用另一方面,代谢也可使致癌物失去活性,这个过程称解毒作用(detoxification)解毒作用可发生于致癌物代谢的任一步骤,往往是亲电子致癌物与细胞内非关键的亲核成分如谷胱甘肽结合,或被转化为易于排泄的稳定的代谢产物致癌物在体内的代谢途径以及所涉及的酶类参见图3-2-1和表3-2-1代谢活化和代谢解毒的平衡是决定致癌物作用强度的一个重要因素由于不同种属、不同个体、乃至同一个体不同组织的致癌物活化和解毒水平有很大的差异,所以对于不同的动物和人,每一种致癌物都可能有其不同的致癌性及独特的致癌谱因此,致癌性不但取决于致癌物本身的化学性质,而且还取决于宿主的生化和药理学个性现已知道,大多数致癌物代谢酶具有基因多型性(geneticpolymorphism),这是导致个体间酶活性水平有极大差异的主要原因;此种基因多型性已被证明是肿瘤易患性(susceptibility)的重要决定因素(详见第四节)再者,许多代谢途径可被膳食成分、激素以及某些致癌物本身所诱导,使致癌过程变得更为复杂表3-2-1实验动物和人的致癌物代谢途径酶系统典型的底物催化的反应主要作用同工酶数诱导性多型性细胞色素P450多环芳烃亚硝胺类芳香胺类杂环胺类黄曲霉毒素苯N-或C-氧化反应还原激活解毒40种可被诱导多型性微粒体黄素单氧化酶2-萘胺N-或S-氧化反应解毒5种过氧化物酶类芳香胺类氧化反应激活多种可被诱导多型性NADPH-P450还原酶二硝基芘铬还原反应解毒激活一种可被诱导N-乙酰基转移酶4-氨基联苯2-氨基呋喃杂环胺类N-或O-乙酰基化反应激活或解毒2种多型性磺基转移酶4-氨基联苯2-氨基呋喃杂环胺类O-硫酸酯化反应激活解毒2种多型性谷胱甘肽S-转移酶亲电子代谢产物谷胱甘肽结合反应解毒激活10种可被诱导多型性UDP-葡糖醛酰转移酶4-氨基联苯2-萘胺杂环胺类N-或O-葡糖醛酰结合反应解毒10种可被诱导多型性环氧化物水解酶多环芳烃环氧化物还原反应解毒3种可被诱导多型性注括号表示次要的反应或作用;?表示尚不知道致癌物的代谢活化形式与体内的激素代谢以及其他外源性化学物的代谢一样,主要有氧化、还原和结合反应这些代谢反应的原本目的,是使非极性的脂溶性化合物变成极性的水溶性化合物,以便从体内清除出去然而对于化学致癌物,这些过程往往产生亲电子性很强的代谢产物例如大多数基因毒性致癌物,包括芥子气类、脂族环氧化物类、N-亚硝基化合物类、黄曲霉毒素类、多环芳烃类等,经代谢产生亲电子的烷化剂(alkylatingagent)或芳烷化剂(aralkylatingagent),后者可与DNA共价结合引起DNA损伤另一些致癌物经代谢产生亲电子的芳胺化剂(arylaminatingagent),同样可损伤DNA;此类致癌物包括芳香胺类、氨基偶氮染料类,以及鱼和肉类食品在烹调过程中产生的杂环胺类最终致癌物造成的DNA损伤主要有两种类型,即链断裂和致癌物-碱基加合物形成致癌物诱发的DNA链断裂有两种机理一是最终致癌物直接取代DNA的磷酰氧阴离子,形成磷酸三酯;磷酸三酯极易被水解而使磷酸骨架解离,导致DNA单链断裂如果此种损伤不能被细胞修复,那么在DNA复制前的解链过程中就会发生链断裂如果另一条链在附近也发生类似的损伤,即可能发生DNA双链断裂和染色体重排另一种机理是,最终致癌物对鸟嘌呤N7或腺嘌呤N3以及对胞嘧啶或胸腺嘧啶O2的亲电子取代反应,引起DNA脱嘌呤或脱嘧啶嘌呤或嘧啶碱基丢失可促使3’-或5’-磷酸键水解最终致癌物与DNA反应主要是形成共价的致癌物-碱基加合物致癌物与DNA的反应很可能是非随机的;每一类致癌物都有其选择性的碱基攻击对象和特定的结合部位如图3-2-2所示,易受致癌物攻击的碱基部位是嘌呤的杂环N
1、N3和N7原子,胞嘧啶的N3原子,所有碱基的环外氮原子和氧原子,以及嘌呤的C8原子例如,简单的烷化剂类易与杂环氮原子结合,尤其是高度亲核的鸟嘌呤N7原子;多环芳烃类主要攻击可极性化的、亲核的鸟嘌呤环外N2原子;而芳香胺类则对鸟嘌呤的C8有很高的亲和性致癌物与DNA部位的选择性结合除了取决于最终致癌物的化学性质外,还取决于核酸的序列和宿主细胞,因此,某些细胞中的某些基因可能比另一些细胞或基因更易遭受攻击许多致癌物-碱基加合物在DNA复制过程中可引起碱基配对错误例如,鸟嘌呤的O6原子和胸腺嘧啶的O4原子被甲基化后,改变了它们分别与胞嘧啶和腺嘌呤的氢键结合模式而导致碱基取代突变;结构复杂的致癌物与鸟嘌呤的N2和C8或腺嘌呤的N6和C8结合,往往造成DNA构型改变,因而引起特异性的碱基错配(图3-2-3)或错误碱基的随机插入(移码突变或错义突变)此外,致癌物与DNA反应还可引起大片段核酸序列的丢失或插入上述这些DNA结构改变一旦发生在肿瘤相关基因,即可能引起细胞癌变图3-2-
1.致癌物代谢激活形成亲电子产物的常见途径Ar芳香基;X离去基团如磺酸基、乙酰氧基、谷胱甘肽残基等图3-2-2不同的致癌物在碱基上形成加合物的位置I烷化剂类;II芳香胺类;III多环芳烃类图3-2-3致癌物-DNA加合物引起的碱基配对错误R烷化剂;dR脱氧核糖;Ar芳香胺然而,必须指出的是,哺乳类细胞有一系列的DNA修复机制,可有效修复化学或物理因素引起的DNA损伤其中,核苷酸切除修复(nucleotideexcisionrepair)机制是一个涉及至少10个基因产物的复杂系统,这个系统主要切除修复致癌物-碱基加合物或紫外线引起的嘧啶二聚体研究表明,涉及该修复系统的任一步骤缺陷,均可造成DNA修复缺陷综合征,这种病人肿瘤罹患率高(如着色性干皮病与皮肤癌)动物实验也证明,用基因工程技术建立的核苷酸切除修复缺陷的小鼠对化学致癌的敏感性显著增加O6-烷基鸟嘌呤-DNA烷基转移酶是另一个重要的DNA修复机制,此酶可修复高度致突变的O6-甲基鸟嘌呤转基因动物的实验证明,O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶过表达,确实可防止甲基化剂引起的小鼠肝肿瘤以及结肠癌前病变和K-ras突变另一个重要的DNA修复途径是多基因的核苷酸错配修复系统,这个系统可修复DNA复制后的错配碱基研究发现,人类结肠癌和其他癌症风险增加与错配修复(mismatchrepair)系统的某个或某些基因突变有密切关系DNA修复酶活性在不同的个体、不同的组织和不同的细胞中有显著的差异例如,O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶和尿嘧啶DNA修复系统中的尿嘧啶-DNA糖苷酶活性,在正常个体的支气管肺泡灌洗细胞中的差异均达数百倍因此,DNA修复系统的遗传(或获得的)差异不但是决定个体癌症易患性的重要因素,也可能是化学致癌物作用具有组织和器官特异性的生物学基础关于这一点,若干研究已经显示,在非靶组织中形成的致癌物-DNA加合物通常很快被修复;但在致癌物的靶组织中,特异的致癌物-碱基加合物往往持续存在,或达到一个稳定的高水平状态靶组织中致癌物-DNA加合物含量既反映特定致癌物的暴露水平,又反映DNA损伤的程度,因此是连接致癌物与基因相互作用的重要生物标志物最终致癌物也可与细胞大分子蛋白质结合虽然各种致癌物可与不同的氨基酸形成席夫碱类(Schiffbases),但最终致癌物与蛋白质的反应主要是与蛋氨酸和半胱氨酸的硫原子、组氨酸的吲哚氮原子、酪氨酸的C3原子、色氨酸的C2原子以及丝氨酸羟基的氧原子共价结合致癌物与蛋白质结合的特异性已引起极大的重视如果与致癌物结合的蛋白质是控制细胞生长的成分或其受体,那么此种结合可能是导致细胞癌变的重要因素有资料表明,致癌物可与细胞核组蛋白和酸性蛋白结合因为这些蛋白质与染色质有密切的关系,而且在基因表达调控中起关键作用,所以它们与致癌物结合可能诱导或抑制控制细胞生长、增殖、或分化的蛋白质的合成此外,最终致癌物还可与血液蛋白质如血清白蛋白和血红蛋白结合鉴于这两种蛋白质在体内含量丰富,它们与致癌物的结合被认为是重要的解毒途径之一研究发现,若干种致癌物与血红蛋白的结合率可达所给致癌物剂量的1%~10%由于致癌物与血液蛋白质结合的量大,加上血液相对容易获得,所以可将致癌物-蛋白质加合物作为一种生物标志物,用以评价个体暴露于相应致癌物的水平有些化学致癌物不具有基因毒性,即不能与DNA发生相互作用这些致癌物的作用机制尚未被完全阐明,可能与细胞毒性作用、慢性组织损伤、氧自由基、激素样作用等遗传外机制有关;也可能作为基因毒性致癌物的促进剂而起作用(详见下文)
2、化学致癌的基本原理化学致癌机理已在实验动物模型中进行了广泛的研究几乎所有的人类肿瘤都可以用特定的已知人类致癌物在实验动物身上复制出来最典型的例子有黄曲霉毒素与肝细胞癌、氯乙烯与肝血管肉瘤、芳香胺与膀胱癌以及煤焦油与鳞状细胞癌等而且,所诱发的动物肿瘤的细胞生物学特征,如细胞的形态、表型标记、遗传学改变等,与人类肿瘤也极为相似因此,动物模型研究是我们认识化学致癌机理的重要的手段动物实验表明,化学致癌物诱发的细胞癌变是一个多阶段的过程(见图3-2-4)这个过程包括以一系列基因突变事件为特点的启动(initiation)阶段;然后是已启动的细胞的克隆选择和扩展,在促癌剂的作用下,已启动的细胞扩展成界限明显的癌前病灶,此阶段为促进(promotion)阶段癌前病变进一步发展,形成具有高度侵袭性的肿块,并常常伴有向身体其他部位转移的特征,这个阶段为发展(progression)阶段在动物实验中,可用不同的化学物质人为地造成这种连续有序、而不重复的三个阶段,然而,对于暴露于复杂环境因素的人类,则不大可能存在这种界限明显的情形人类癌的形成,是导致细胞稳定性丧失的基因改变不断累积的结果事实上,许多病理学研究已经发现,在自然状态下,靶组织中常常同时存在程度不同的不典型增生细胞和具有恶性行为的癌细胞此外,就致癌物而言,一些环境致癌因素(如香烟)所含致癌物在致癌过程中既作用于启动阶段,又作用于促进和发展阶段图3-2-
4.化学致癌多阶段示意图注此图由若干个实验模型所集成癌变阶段根据基因、生物学和生物化学的改变而区分箭头线的长度粗略表示癌变各阶段的时间长短;线的粗细表示从一个阶段进展到下一个阶段所发生的频率细胞癌变的启动阶段,是由外源性或内源性致癌物诱发基因损伤的一系列事件造成的这种基因损伤是永久性的结构和功能的改变,它赋予转化细胞具有恶性生长的潜力根据众多的研究证据,目前认为,致癌物与DNA反应引起的体细胞突变(somaticmutation),是启动癌变的最主要原因支持体细胞突变理论的证据来自各方面的研究首先,最终致癌物具有强烈的亲电子性质,它们可在体内和体外与DNA共价结合;许多化学致癌物与DNA形成加合物的能力与该致癌物的致癌强度高度相关;致癌物-碱基加合物的持续存在或错误修复可导致突变(详见第一节)其次,在细菌和哺乳类致突变检测系统中,大多数致癌物都具有致突变性再者,遗传性DNA修复缺陷病人如着色性干皮病、Cockayne综合征、运动失调性毛细血管扩张症、Fanconi贫血和Bloom综合征的肿瘤发生率比正常人显著增加最后,动物实验证明,化学致癌物诱发的肿瘤与人类肿瘤类似,常常在控制细胞生长的基因上有点突变原癌基因(proto-oncogenes)和肿瘤抑制基因(tumorsuppressorgenes)的发现,为认识癌变机理中的DNA损伤与细胞生长失控之间的联系提供了桥梁这两类总数超过100的基因,在组织中相互协作,负责调控细胞的生长和分化(详见第四章)研究表明,只有当原癌基因突变或过度表达(活化),使基因产物的质和量发生异常时,才能通过连续的信号传导使细胞复制,导致细胞生长失控细胞原癌基因活化的机理至少有三个,即体细胞突变、基因过度表达(geneover-expression)和基因重排(generearrangement)前二种在癌变早期阶段起重要作用,而后一种可能在癌变的晚期即发展阶段起重要作用众多的实验证明,化学致癌物可诱发原癌基因突变例如,亚硝基甲基脲(NMU)诱发的大鼠乳腺癌、二甲基苯并蒽(DMBA)诱发的动物皮肤癌和乳腺癌,均有c-Ha-ras基因的突变;用偶氮甲烷诱发的大鼠结肠肿瘤有c-myc和c-Ha-ras的高表达许多肿瘤包括常见的人类肿瘤如结肠癌和胰腺癌的启动步骤,可能与致癌物诱发ras基因家族突变有关对化学致癌物诱发的ras基因突变分析表明,突变谱与DNA-加合物形成的模式有密切关系烷基化亚硝基化合物主要与鸟嘌呤的O6原子形成加合物,此类致癌物诱发的啮齿类肿瘤中ras基因突变主要是GA碱基转换;这很可能是由于鸟嘌呤O6烷基化后与胸腺嘧啶的错配引起的(见第一节)多环芳烃类和芳香胺类致癌物与鸟嘌呤和腺嘌呤形成复杂的加合物,它们诱发的突变位点和突变谱与烷化剂不同这些证据再一次表明,致癌物与DNA结合造成基因损伤是有选择性的,而不是随机的原癌基因活化的另一机理是基因的过度表达过度表达是指一种正常基因长期高水平表达或扩增,或在细胞生长过程中的不适当的时间里表达,或在该基因原本不表达的组织中高表达致癌物引起原癌基因调控序列的点突变可导致基因过度表达此外,破坏细胞生理过程的促癌物似乎对包括原癌基因在内的正常细胞调控有连锁性干扰作用,以致使基因的表达处于紊乱状态基因重排也可使原癌基因活化,这常常发生于染色体之间遗传物质的位移这种基因重排可能是自发的,也可能是致癌物对DNA的损伤引起的目前认为,基因重排在肿瘤的发展阶段起重要作用肿瘤抑制基因在调节细胞周期、细胞死亡、细胞间通讯和保持基因组稳定性方面起关键作用这些基因编码的蛋白质一旦出现异常,细胞增殖将失去细胞及其基因组的整体的正常控制研究表明,DNA突变和染色体异常,可使肿瘤抑制基因失活;此外,基因组印记(genomicimprinting)和基因产物稳定性降低等,也能影响正常等位基因产物的功能然而,对于肿瘤抑制基因来说,其功能完全丧失需要两个等位基因失活现已知道,由于一些肿瘤抑制基因如Rb(成视网膜细胞瘤基因)、p53(Li-Fraumeni综合征相关基因)、WT
1、WT2(Wilms瘤基因)或APC(家族性结肠息肉病基因)的遗传缺陷,使其携带者不但特定肿瘤的发生率显著高于正常人群,而且发病年龄也显著提早但是,单是种系缺陷基因的遗传不足以导致发生肿瘤,易感细胞还必须遭受致癌物的攻击,使另一个基因拷贝失活才能癌变许多散发肿瘤的发生也要经历相同的过程,非遗传易患者的细胞只有在相关基因的两个拷贝都失活时才发生癌变例如非家族性结肠癌,大部分癌细胞都有APC基因两个拷贝的丢失正如化学致癌物损伤DNA使原癌基因激活一样,肿瘤抑制基因功能丢失在多数情况下也是致癌物与DNA相互作用的结果然而,这种损伤多大程度上是环境致癌物引起的,而多大程度上是内源性氧自由基引起的尚不清楚此外,不仅突变可使肿瘤抑制基因失活,高甲基化也可使这些基因失去功能如果细胞因暴露于外源性致癌物或内源性氧自由基而发生DNA损伤,如果这种损伤持续存在并通过细胞复制而固定于子细胞克隆中,细胞仍然有可能死亡所有的细胞都装备有细胞自杀机制(程序性细胞死亡),以保证细胞在DNA损伤超乎修复能力时而死亡单个的点突变不会发生这种情形,但当有更多的DNA丢失如缺失、链断裂和整个染色体丢失时,可引起程序性细胞死亡当DNA损伤积蓄到一定量的时候,细胞周期停止,细胞进入DNA断裂和死亡的过程,即细胞凋亡(apoptosis)现已知道,一些癌细胞不凋亡的原因,是丧失了控制细胞周期关卡的p53或其他基因的功能,或者是丧失了由bcl-2基因调控的细胞凋亡机制癌变促进阶段的基本特征,是基因表达异常和细胞增殖,使已启动的细胞克隆扩展成为可辨别的癌细胞群在这个阶段,细胞似乎没有遗传物质受损伤,并且可能是可逆的过程癌变的促进这个概念,主要来自促癌剂(promoter)的发现促癌剂本身没有致癌性,但一旦与致癌物联合使用,则能大大增加肿瘤发生率促癌物包括若干类型的化学物,如佛波酯类衍生物(广泛用于动物致癌实验的天然植物成分)、某些巴比妥酸盐、工业和农业来源的氯化烃类、酒精、以及体内的某些激素此外,一些正常膳食成分也具有促癌活性,如高蛋白质、高脂肪或低甲硫氨酸或胆碱的饲料对啮齿类动物具有促癌作用许多基因毒致癌物本身也具有促癌剂的性质;事实上,对于给定剂量的基因毒致癌物诱发肿瘤而言,持续低浓度暴露往往比一次或几次高浓度暴露的作用更强促癌剂本身不与DNA相互作用,但它们具有特别强的能力促使细胞增殖和促使调控细胞生长的基因表达发生显著的改变促癌剂的作用机理多种多样,包括激活细胞表面受体、激活或抑制胞浆酶和核转录因子、促进细胞分裂、抑制细胞凋亡和细胞毒性等研究发现,用促癌剂处理的细胞许多酶如鸟氨酸脱羧酶、ATP酶和纤溶酶原激活物等活性增高经典的促癌剂佛波酯类可促进Na+/H+的跨细胞膜交换,导致细胞内碱性增加而使细胞优先发生有丝分裂佛波酯类对细胞的间隙连接、某些生长因子受体的磷酸化有抑制作用有丝分裂和其他细胞事件的发生,可能是促癌剂激活蛋白激酶C引发的一些促癌剂可引起组织炎症等慢性损伤,因此,有丝分裂增加可能是增生反应的继发事件此外,促癌剂可间接增加氧化应激反应和脂质过氧化,使DNA进一步损伤已启动的细胞和正常细胞对促癌剂作用的反应是不一样的,这是克隆选择的基础因此,任何可引起癌前细胞克隆扩展的因素,都是促癌剂然而,对于人类癌症危险度而言,目前已明确的促癌剂只有吸烟和石棉,虽然环境中存在着大量的实验性促癌剂总之,细胞癌变的促进作用是已启动的细胞持续暴露于基因毒致癌物或促癌剂的结果,也可能与机体本身的营养和激素状况的改变有关促进阶段是癌变的限速步骤,它可能是一个漫长的过程,决定恶性肿瘤形成的潜伏期发展阶段的特征是,经启动和促进的癌细胞群进一步生长和扩展,从局灶性损伤转变成具有侵袭性的肿块在这个阶段,细胞DNA损伤更加广泛而且程度更加严重,常见有多发的染色体缺失、断裂、杂合性丢失和异倍体等现象经过启动和促进阶段的癌细胞可自发地进入发展阶段,这可能是由癌变细胞的基因组不稳定性所致然而,继续暴露于基因毒致癌物包括一些肿瘤化疗药物,可加速这一进程研究发现,并非所有的癌前细胞都进入发展阶段,在癌前病灶中可能存在高危险状态的细胞亚群,也就是说发展阶段仍然涉及细胞生长的选择因此,与发展有关的进一步的DNA损伤,必须导致所涉及的细胞具有生长优势由于肿瘤抑制基因p53具有维护基因组稳定性的功能,而且在人的癌前病变组织中常常检测到其突变,所以它的失活可能与发展密切相关发展的最终结果是肿瘤恶化,包括肿瘤细胞向周围组织侵袭(invasion)和向身体的其他部位转移(metastasis)在这个过程中,发现有一系列与细胞周期调节有关的基因扩增和高表达,基因剪接改变、细胞表面分子表达改变以及血管新生等;这些改变均有利于癌细胞向周边组织侵袭和向远处转移体细胞突变学说目前处于解释化学致癌机理的中心地位,但是,还有一些其他机制可能与肿瘤的发生有关首先,DNA被致癌物损伤后可能有利于致癌性病毒整合例如,有证据表明,化学致癌物可与致癌性病毒协同作用将细胞转化成致瘤状态其次,最终致癌物可与RNA共价结合或引起RNA损伤,后者经逆转录导致基因突变或基因表达改变其根据是,产生高水平逆转录酶的致癌性RNA病毒(如HTLV-1),与化学致癌物有协同作用此外,致癌物对DNA聚合酶的修饰,使后者在DNA复制和修复时的忠实性降低,导致错误复制和突变例如,已知一些致癌性金属可引起DNA碱基配对错误和突变,其作用机理可能是通过与DNA聚合酶发生离子反应致癌物诱发的DNA损伤是细胞癌变的基础,而且可将每一阶段的癌变继续向前推进然而,不影响DNA结构但影响DNA功能的其他机制也可诱发和促进癌变,这种机制称为基因外机制(epigeneticmechanism)目前提出的基因外机制至少有三种首先,是致癌物引起某些具有重要功能的蛋白质发生改变癌实际上是一种细胞分化病,如果致癌物的作用伤害了控制细胞分化过程的关键蛋白质,那么细胞将出现分化不良的恶性表型第二种基因外机制是致癌物与RNA聚合酶或tRNA结合,使蛋白质合成时氨基酸的序列出现错误此种氨基酸取代可改变控制细胞生长和分化的关键蛋白质的结构和功能第三,许多化学物是协同致癌物,因为它们或起促癌剂的作用,或产生激素样刺激,或抑制机体的免疫反应其中任何一种作用都可促使已存在的启动细胞增生并发展成肿瘤最后必须指出,现在还没有一种基因机制或基因外机制可以圆满解释一种组织癌变的全部过程,当然更不能圆满解释不同组织的肿瘤形成的各种途径事实上,就是在相同的组织中,同一种致癌物将正常细胞转变成癌细胞乃至肿瘤,其机制也可能是多种多样的显然,可使人类癌症风险增加或降低的许多因素的作用机理仍有待于阐明
3、化学致癌物检测及风险评价在人类的生活和生产环境中,例如香烟、食物、饮水、户外和户内空气、以及某些职业场所中,存在各种各样天然的和人工合成的致癌物虽然有些致癌物与人类癌症风险的关系已经比较明确,例如吸烟,然而,即使去除吸烟和目前已知的其他致癌因素,人类肿瘤发生率仍然很高,因为对大多数发病率高的肿瘤来说其病因并未确定再者,人类在不断地走向文明的同时,也在不断地为自己的生存制造新的危险因素因此,检测环境中已经存在的和新产生的致癌因素、评价它们对人类癌症的风险,是肿瘤学家的一项重要工作临床医生可通过严密的临床观察和详细询问病人特有的暴露史(职业史和生活方式),为研究和鉴定致癌因素提供线索目前已有一系列实验室的和人群流行病学的研究方法,用于检测和评价化学物的基因毒性和促癌作用实验室检测主要包括一些根据目前已知的致癌机理建立的短期筛选方法和长期动物致癌实验;人群调查有经典的流行病学和新近发展的分子流行病学研究(表3-2-2)短期筛选实验主要用于检测基因毒致癌物,它具有快速、经济等优点最常用的方法之一是鼠伤寒沙门氏菌致突变实验(Amestest)由于该实验引入哺乳类肝匀浆S9组分,所以具有使前致癌物转化为最终致癌物的代谢能力其他一些短期实验方法则应用培养的哺乳类或人表3-2-2致癌物和促癌物的检测方法检测类型检测方法举例优点缺点体外短期测试细菌突变试验细胞突变试验DNA损伤试验细胞转化试验细胞通讯试验快速;经济;可用人的细胞进行实验常有假阳性或假阴性;结果外延到体内不肯定;致突变不等于就是致癌;实验室间结果可能不一致整体动物诱癌实验短期诱发肝脏癌前病灶诱发小鼠皮肤肿瘤诱发小鼠肺肿瘤诱发大鼠乳腺肿瘤长期动物诱癌实验预测对人的致癌性优于体外试验;可阐明种属间的差异费时耗资,尤其是长期诱癌实验;所用剂量高于人类实际暴露量;结果外延到人类不肯定经典流行病学前瞻性队列研究病例-对照研究直接研究人群;可联合分析多变量;可获得剂量-反应资料灵敏度低;不能证明因果关系;存在未知混杂因素分子流行病学病例-对照研究中导入生物标志物如致癌物-DNA加合物、代谢基因型测定暴露的内剂量或生物学有效剂量;测定遗传易感性;可鉴定个体的危险因素尚属早期发展阶段类细胞,检测点突变、DNA损伤以及细胞转化等人类细胞培养已越来越多地用于这一类实验,因为培养的人细胞更接近于人体的实际情况而且,有些实验可直接用于监测人群暴露于遗传毒物的情况,例如外周血淋巴细胞姊妹染色单体互换实验和微核实验等目前检测促癌剂的一些体外实验方法,主要是测定培养细胞的间隙连接通讯的改变体外实验一旦发现受试物具有基因毒性或潜在的促癌作用,必须根据其可能的作用机理选择相应的短期体内实验方法,以获取其在整体动物中的致癌性资料常用的短期体内测试方法有诱发啮齿类肝异常病灶、小鼠皮肤肿瘤、雌性Sprague-Dawley大鼠乳腺肿瘤、敏感株小鼠肺肿瘤等实验这些诊断性实验所需的时间通常不超过一年一般来说,一组体外实验加上设计严密的短期体内实验所获结果,已适合于评价基因毒致癌物或促癌剂的危险性因此,在多数情况下不再主张必须做费时而耗资的长期动物实验长期动物致癌实验一般用大鼠和小鼠,所用致癌物的剂量往往达到最大耐受剂量(maximallytolerateddose),即不引起明显毒性作用的剂量为了推断致癌作用,往往要测定剂量-反应关系,即设立若干剂量组合适的设计还需要两个以上种系和两个性别分子生物学的进展有可能改进检测潜在致癌性的方法,使之更准确和有效例如,许多基因毒致癌物可导致特定的原癌基因和/或肿瘤抑制基因改变,这可能足以判别该化学物是否可引起肿瘤必须指出的是,上述提及和未提及的体内外实验,都有一定的局限性和适用范围,在解释实验结果和外延到人类时必须格外地慎重对于特定致癌物与人类癌症风险的关系而言,严密的临床观察和人群流行病学研究提供的线索至关重要例如在鉴定芳香胺与膀胱癌、苯与白血病、石棉与胸膜间皮瘤、吸烟与肺癌等关系时,流行病学研究起了重要的作用然而,流行病学方法本身只能提供因果关系而不能证明因果关系而且,只有通过严密的设计和对混杂因素的严格控制,才能得到真实的结果但这对涉及多致病因素、多发生阶段和多影响因素的人类肿瘤来说,显然是非常困难的工作检测化学致癌物的最终目的,是为了评定暴露于特定致癌物(或生活方式)对人类癌症的危险度,从而采取相应有效的预防措施国际上有一些组织和机构,如美国环境保护局(EnvironmentalProtectionAgencyEPA)和世界卫生组织的国际癌症研究中心(InternationalAgencyforResearchonCancerIARC)等,定期组织专家审核世界各地已发表的大量科学文献,评价环境中的致癌物、职业暴露和生活方式对人类的致癌性危害表3-2-3例举了若干组织和机构报告的已知和可疑的人类致癌因素需要说明的是,这些致癌因素是根据人群的健康需要而加以确定的,因此并不意味着某种致癌因素对特定个人肯定具有致癌作用IARC和EPA根据实验室研究和人群调查资料的证据,将致癌物分为对人致癌、对人很可能致癌(证据较充分)或可能致癌(证据尚有限)、对人致癌性未定和对人可能不致癌4类显然,随着科学研究证据的不断积累,这些致癌物的归类将会发生改变临床医生应根据自己的工作需要,经常浏览这些机构的有关出版物,增加和更新这方面的知识,以应付行医时在判定和解释肿瘤病因方面所面临的挑战此外,出色的医生不但要有高超的诊治水平,而且还能向病人和公众提出有效的肿瘤预防方面的建议这就要求医生对不同肿瘤的病因或危险因素有较广泛和深入的了解表3-2-3已知的和可疑的人类致癌物及与癌症有关的职业靶器官肿瘤类型致癌物职业口腔鳞癌吸烟、饮酒、镍化合物鞋和靴制造、家具制造、异丙醇生产食管鳞癌吸烟、饮酒--肺鳞癌、小细胞和大细胞癌、腺癌吸烟、砷、石棉、晶体硅、苯并a芘、铍、二氯甲醚、13-丁二烯、六价铬化合物、煤焦油、沥青、镍化合物、煤烟、芥子气铝生产、煤的气化、焦炭生产、赤铁矿开采、油漆胸膜间皮瘤石棉--胃腺癌烟熏食品、盐腌食品和酸渍食品橡胶工业肝肝细胞癌、血管肉瘤黄曲霉毒素、氯乙烯、吸烟、饮酒--结肠腺癌杂环胺类、石棉模具制造肾肾细胞癌吸烟--膀胱移行细胞癌吸烟、4-氨基联苯、联苯胺、2-萘胺品红、金胺生产前列腺腺癌镉--皮肤鳞癌、基底细胞癌砷、苯并a芘、煤焦油、沥青、矿物油、煤烟煤的气化、焦炭生产骨髓白血病苯、吸烟、环氧乙烷、抗肿瘤药橡胶工业
4、分子流行病学肿瘤病因研究新的里程碑如上所述,鉴定和评判特定致癌因素对人类癌症危险度的传统工具是流行病学和定量风险评价这两种方法实际上都存在很大的局限性由于肿瘤潜伏期长达数十年,回顾调查过去的暴露情况准确度差,所以传统流行病学在确定一种特定的环境因素与癌症是否有因果关系时面临许多障碍再者,流行病学方法的灵敏度低,难以在诸多的危险因素中准确发现特异的危险因素,特别是那些使常见肿瘤风险只有轻度增加的因素,因而不能作为预警系统此外,暴露因素和生活方式因素之间的相互作用,使流行病学研究工作变得更加复杂因此,除了一些由职业、药物、吸烟引起的肿瘤外,大多数环境致癌物与人类肿瘤的关系还没有或只有十分有限的令人信服的流行病学资料环境致癌物的定量风险评价是将动物实验资料外延到人因为在外延过程中涉及许多假设,例如假定动物和人对特定致癌物敏感性的种属差异等,所以实际上它是一种很不肯定的推断性评价近几年发展的分子流行病学,将检测分子生物标志物(molecularbiomarker)与流行病学研究相结合,使流行病学在确定暴露因素与癌症风险因果关系上的力度大大增加根据癌变过程所发生的生物学事件,目前一般把分子生物标志物分为三类(图3-2-5),即
(1)生物有效剂量(biologicallyeffectivedose)标志物,它反映进入体内与靶分子相互作用的致癌物的量,例如致癌物-DNA加合物和致癌物-蛋白质加合物;
(2)生物效应(biologiceffect)标志物,即在靶部位发生的与癌变有关的结构和功能的改变,如DNA单链断裂、基因突变和特定癌基因或肿瘤抑制基因改变等;
(3)易患性(susceptibility)标志物,包括遗传的或获得的个体肿瘤易患性因素,如代谢和DNA修复能力的差异、遗传的肿瘤抑制基因突变、营养缺乏等暴露效应图3-2-
5.评价癌症风险的分子生物标志物分子流行病学寻求通过检测上述分子生物标志物,来鉴定个体的癌症危险度有两个根本原因构筑了分子流行病学研究的基础第一,癌变是一个多阶段的过程,每个阶段都由一些遗传事件所决定,而这些遗传事件的发生可能是多步骤的因此,要在诸多的危险因素中鉴定出特异的危险因素是非常困难的第二,人类对致癌作用的反应是不均一的,存在巨大的个体差异用单细胞克隆进行基因作用的实验研究,或假设整个人群对致癌物的反应都一样的传统流行病学研究,显然不能代表易患的或有抗性的个体分子流行病学研究能较好地克服这些问题首先,对于风险评价来说,分子流行病学应用生物标志物鉴定潜在风险,所获分子定量、分子反应和个体易患性资料与动物实验资料具有可比性,能增进种属之间外延推断的准确性其次,分子流行病学在分析研究(如队列研究和病例-对照研究)中引入生物标志物,大大加强了此类研究的能力例如,应用生物有效剂量评价个体暴露于特定致癌物的情况,以准确鉴别研究对象是“暴露”还是“非暴露”,而不是通过询问暴露史或测定环境中致癌物浓度等实质意义小的方法;应用易患性标志物以区分“易患”和“非易患”个体,减少传统流行病学研究所无法避免的随机偏差再者,一些临床前反应或生物效应标志物,如特异癌基因或肿瘤抑制基因的特异性改变和单个染色体的特异性畸变,最终可能替代临床指征作为终点指标因为此类标志物比临床指征出现得早,所以应用这些标志物可减少研究中因肿瘤潜伏期长带来的问题最后,分子流行病学研究可将暴露标志物、生物效应标志物与个体易患性标志物进行联合分析,从而甄别高风险个体,为阐明肿瘤病因和制定对象明确的预防策略提供科学依据上述分子生物标志物,如致癌物-大分子加合物、基因突变以及其他细胞遗传学改变,可在靶细胞或替代细胞的DNA中测定致癌物-DNA加合物既反映暴露于致癌物又反映发生了可致癌的DNA损伤,因此,它是联接致癌物暴露和个体易患性因素(如代谢激活、DNA修复能力和细胞凋亡、细胞毒性调控机制)的重要的生物有效剂量标志物之一DNA加合物形成是致癌的重要事件,但不是致癌的唯一事件,所以它与癌症风险之间的定量关系尚未完全确定目前还只能在人群基础上用它来推断癌症风险已有许多分析方法检测人体组织中的致癌物-DNA加合物,最常用的有32P-后标记法、免疫化学法、气相色谱-质谱法、荧光光谱法和电化学检测法但每种方法都有其适用范围及优缺点此外,由于靶器官取材往往比较困难,所以有许多研究探讨以其他组织如外周血白细胞替代一般来说,靶器官中致癌物-DNA加合物的性质和含量更能提供潜在致癌作用的特异性信息多环芳烃类和芳香胺类致癌物是多种人类肿瘤(如肺癌、膀胱癌和乳腺癌等)的主要病因因素工业污染、矿物燃料燃烧和吸烟是这些致癌物的主要来源若干分子流行病学研究探讨了人体组织中多环芳烃-DNA加合物与多环芳烃暴露以及特定癌症风险的关系总的看来,因职业关系暴露于多环芳烃及吸烟者的多环芳烃-DNA加合物含量高然而,多数研究发现在相似的暴露情况下,加合物水平的个体差异高达30~50倍,这可能是个人的易患性因素使然许多病例-对照研究发现,多环芳烃-DNA加合物,特别是苯并a芘形成的加合物含量与肺癌风险增加密切相关芳香胺的情况与此相似,吸烟者的4-氨基联苯-血红蛋白加合物和4-氨基联苯-DNA加合物含量高;许多研究认为这些加合物与吸烟引起的膀胱癌有关另一类芳香胺是存在于烹调肉类食品中的杂环胺类,这些致突变物可诱发啮齿类和灵长类动物包括结肠在内的多部位肿瘤,也是西方膳食模式导致结肠和直肠癌发病率高的可疑病因因素之一杂环胺类致癌物不但可在实验动物的靶组织中形成高水平的DNA加合物,而且也在一些人的结肠癌手术标本中检出对人类有潜在致癌作用的另一类化合物,是广泛存在于膳食和香烟中的N-亚硝基化合物此类化合物还能在人体内由其前体胺和亚硝酸盐合成一些地区的食管癌、胃癌、膀胱癌和肝癌等发病率高可能与膳食中高浓度的亚硝胺或其前体有关,而香烟中的亚硝胺可能是肺癌的病因因素大多数亚硝胺经细胞色素P450酶代谢激活生成烷化剂,后者攻击DNA形成特异性加合物如O6-烷基鸟嘌呤和O4-烷基胸腺嘧啶等若干研究已显示,在亚硝胺作用的靶组织中存在其特异性DNA加合物,而且与癌症风险相关例如,研究表明亚硝胺很可能是我国河南林州市(林县)食管癌高发的原因据报告该地区人群暴露于亚硝胺的水平以及食管中O6-甲基鸟嘌呤DNA加合物的含量,均显著高于食管癌低发区人群在我国进行的黄曲霉毒素B1(AFB1)与肝癌关系的前瞻性分子流行病学研究也表明,尿中排出的AFB-N7-鸟嘌呤加合物与黄曲霉毒素摄入量以及肝癌风险呈正相关,而且与乙型肝炎病毒感染有协同作用生物效应标志物是联接致癌物暴露与肿瘤产生的桥梁,是分子流行病学研究建立因果关系至关重要的指标然而,与致癌物-DNA加合物等生物有效剂量标志物不同,目前似乎还没有一种生物效应标志物可特异性地反映特定致癌物的作用,即在确定特定的致癌物暴露与癌变早期生物学改变的因果关系上仍然存在障碍显然,突破这个障碍是阐明特定的致癌物与肿瘤病因关系的关键所在根据现有的认识,最有希望突破的途径可能是结合两方面的研究成果,即特定致癌物诱发的基因突变类型和人类肿瘤中常见的突变基因的突变谱分析肿瘤抑制基因p53是最适合于这方面研究的基因之一首先,它在进化过程中属于高度保守的基因,啮齿类的p53与人类的p53在5个功能区域的DNA序列同源性超过90%其次,几乎各种人类肿瘤都有p53突变第三,突变可发生在编码p53蛋白活性区域的各个密码子位置,而且突变类型多种多样许多研究发现,不同的肿瘤和来自不同人群的相同类型的肿瘤p53突变谱不同,提示引起肿瘤的病因可能不同最突出的例子是黄曲霉毒素与肝细胞癌若干独立的研究发现,暴露于高水平黄曲霉毒素的人群(如南部非洲和我国启东)发生的肝细胞癌,p53突变类型主要是G:CT:A突变,而且突变热点在249密码子这与黄曲霉毒素在体外实验系统中诱发的突变谱一致相反,在黄曲霉毒素暴露水平低的人群(如日本和其他欧美地区)中,肝细胞癌的p53几乎没有此种突变因此认为,肝细胞癌中p53基因249密码子的G:CT:A突变很可能是黄曲霉毒素引起的另一个例子是吸烟与肺癌肺癌的p53突变很常见,突变率以小细胞肺癌最高,肺腺癌最低;最常见的突变是非转录链的G:CT:A突变此种突变谱与香烟中一些化学致癌物诱发的突变谱一样例如,香烟中具有高度致突变性的苯并a芘代谢产物,主要攻击脱氧鸟嘌呤碱基引起G:CT:A突变此外,香烟特异性亚硝胺4-(甲基亚硝氨基)-3-(吡啶基)-1-丁酮(NNK)产生的DNA加合物也可导致GT改变研究发现,肺癌的p53突变率以及非转录链的G:CT:A突变率与病人的吸烟量呈剂量-效应关系吸烟者的总碱基突变频率以及G:CA:T突变频率均显著低于非吸烟者,但非转录链的G:CT:A突变率显著高于非吸烟者p53突变率和突变谱因肺癌组织学类型的不同而异,这反映了不同组织学类型的肺癌可能有不同的病因有资料显示,在鳞状细胞癌、大细胞癌和小细胞癌中G:CT:A突变率相似;但在肺腺癌中,此种突变则不常见,而常见的是G:CA:T和G:CC:G突变这与认为肺腺癌可能与吸烟关系不密切的研究结果一致,提示肺腺癌的病因可能是其他致癌物生物效应标志物的另一个意义是有可能作为临床早期诊断工具例如,研究发现,在结肠癌病人的随粪便排出的结肠细胞标本中可查到特异性K-ras癌基因突变对头颈部鳞癌病人的唾液标本、肺癌病人的支气管肺泡冲洗液和痰标本进行的分析也得到类似的结果虽然肿瘤抑制基因或癌基因的特异性改变有可能成为联接致癌物作用与肿瘤产生之间的桥梁,并有可能作为早期生物标志物用于风险评价、临床诊断和干预实验的效果评价,但是目前已经很清楚,单一的标志物在特异性和灵敏度上不能满足实际需要因此,需要建立一组反映早期基因改变的标志物来预测早期生物效应分子流行病学的另一个重要领域是研究个体的易患性因素根据目前的认识,肿瘤易患性是由一些遗传的和获得的因素构成的(见表3-2-4)遗传因素主要包括一些罕见的高度外显的基因突变,以及常见的影响个人对环境致癌物反应的遗传变异与罕见的显性种系(肿瘤抑制基因)突变有关的肿瘤主要是成视网膜细胞瘤、Wilms瘤、某些乳腺癌和卵巢癌(Li-Fraumeni综合征)等此外,着色性干皮病、家族性结肠息肉病以及运动失调性毛细血管扩张症等(DNA修复缺陷)遗传病也具有高度的肿瘤易患性然而,虽然这些高度外显的基因突变携带者患肿瘤的危险度非常高,但由它们所引起的肿瘤只占全部人类肿瘤的一小部分目前认为,对于整个人群的肿瘤负荷来说,更重要的易患性因素是一些常见的遗传变异,如涉及基因-环境相互作用的致癌物代谢基因和DNA修复基因多型性表3-2-
4.已知的肿瘤易患性因素易患性因素相关的肿瘤可能的作用机理遗传因素罕见的遗传综合征Li-Fraumeni乳腺癌等Rb成视网膜细胞瘤Wilms瘤膀胱癌肿瘤抑制基因失活或丢失BRCA1乳腺癌家族性腺瘤样息肉病结肠癌遗传性非息肉病结肠癌结肠癌着色性干皮病皮肤癌DNA修复缺陷运动失调性毛细血管扩张症乳腺癌等常见的遗传变异(多型性)CYP1A1肺癌等致癌物多环芳烃等代谢改变CYP1A2结肠等致癌物芳香胺等代谢改变CYP2D6肺癌致癌物NNK等代谢改变CYP2E1食管癌等致癌物亚硝胺等代谢改变CYP3A4肝癌等致癌物黄曲霉毒素等代谢改变N-乙酰基转移酶2膀胱癌、结肠癌致癌物芳香胺类代谢改变环氧化物水解酶肝癌等致癌物环氧化物类代谢改变谷胱甘肽S-转移酶M1肺癌、膀胱癌等致癌物代谢解毒改变谷胱甘肽S-转移酶P1肺癌等致癌物代谢解毒改变O6-烷基鸟嘌呤DNA-烷基转移酶肺癌等DNA修复不良H-ras-1肺癌、乳腺癌等作用机理尚未阐明非遗传因素年龄乳腺癌、肺癌等少年和老年人的解毒、DNA修复和免疫等功能低下性别乳腺癌等激素通过与受体结合使细胞生长和分化失控营养各种肿瘤影响代谢、解毒、免疫机能;影响细胞生长和分化调控已知一些致癌物代谢酶在人群中呈多型性分布,个体间对特定致癌物的代谢能力差异高达数倍至数百倍如果将这种差异直接外推到与之相关的疾病,那么对任何给定暴露量的致癌物,不同代谢能力的个体对其致癌性的敏感性可能相差数倍至数百倍换句话说,一种致癌物可能对一些人致癌,但对另一些人即使高剂量也未必有此作用癌症是环境与基因相互作用的结果多基因的细胞色素P450(CYP)酶家族催化各种内源性和外源性化学物质的氧化代谢;在氧化过程中可产生亲电子的或致癌的代谢产物许多细胞色素P450如CYP1A
1、CYP1A2和CYP2E1都呈基因或表型多型性CYP1A1是苯并a芘等多环芳烃类致癌物的代谢激活酶,而且可被这类致癌物所诱导研究发现,高加索人种中约有10%的人携带高诱导性的CYP1A1,此种变异型酶是导致吸烟者肺癌风险显著增加的易患性因素最近的分子流行病学研究表明,日本人和一些高加索人的肺癌易患性与CYP1A1的MspI和BsrDI位点多型性相关前一个突变位于CYP1A1基因的3’非编码区;后一个突变位于第7内含子,导致酶蛋白催化部位的462位异亮氨酸被缬氨酸取代这两个位点的突变具有高度关联性研究发现,肺组织中的DNA加合物含量与CYP1A1的表达或酶活性呈正相关;而且,携带突变等位基因的吸烟者白细胞中多环芳烃-DNA加合物含量显著高于携带野生型基因的吸烟者此外,对吸烟相关性肺癌和口腔癌的p53突变分析显示,携带该变异基因者p53突变发生率显著增高这些研究结果提示,变异型CYP1A1增加吸烟相关性肿瘤易患性的机理,可能是此种变异基因比野生型基因的诱导性高,或者是变异型基因产物的活性增强其他CYP基因变异也影响肿瘤的风险度例如,越来越多的研究表明,代谢芳香胺和杂环胺的CYP1A2以及代谢亚硝胺和苯等小分子致癌物的CYP2E1多型性,是肿瘤的遗传易患性因素谷胱甘肽S-转移酶(GST)催化谷胱甘肽与各种亲电子化合物反应,在多数情况下是一种解毒机制因此,由于基因多型性使GST缺失或活性低下可能导致宿主对致癌物作用的敏感性增加例如,GSTM1可使苯并a芘、乙烯氧化物和苯乙烯等致癌物的活性代谢产物失活;该基因完全缺失在人群中的发生率约30%~50%许多研究报告指出,GSTM1缺失增加肺癌和膀胱癌易患性一项集12个研究的二次分析(meta-analysis)表明,GSTM1缺失是肺癌中等强度的危险因素,估计约17%的肺癌病例是由GSTM1基因缺失引起的与此相一致,GSTM1缺失基因型者肺组织中多环芳烃-DNA加合物含量和p53突变率也较高此外,GSTM1参与黄曲霉毒素B1活化代谢产物AFB1-89-环氧化物的解毒,因此GSTM1缺失还可能增加黄曲霉毒素B1相关性肝细胞癌的易患性N-乙酰基转移酶(NAT)有两个同工酶,分别由NAT1和NAT2基因编码NAT2在编码区和非编码区的点突变,导致基因产物表达不良、不稳定或活性降低,从而出现“快”代谢和“慢”代谢两种表型研究表明,当暴露于芳香胺或杂环胺类致癌物时,慢代谢型增加膀胱癌的易患性;而快代谢型增加结肠癌易患性NAT2可催化膀胱致癌物2-萘胺和4-氨基联苯的N-乙酰化这个解毒过程与激活芳香胺的CYP1A2竞争底物,从而减少进入血循环并被运送到膀胱的活性N-羟基芳香胺的量这一机理是暴露于芳香胺的NAT2慢代谢型者易发生膀胱癌的生物学基础NAT2还可进一步激活经CYP1A2氧化产生的N-羟基芳香胺和杂环胺,形成最终致癌物N-乙酰氧基衍生物快代谢表型者结肠癌易患性高可能与结肠局部激活杂环胺类致癌物的能力高有关NAT2基因-环境相互作用已得到充分的证明在轻度吸烟者中,慢代谢型的4-氨基联苯-血红蛋白加合物含量显著高于快代谢型,但在重度吸烟者中,NAT2基因型对加合物的含量则无影响,因为此时环境因素的作用大大超过并掩盖了基因的作用最近的研究还显示,在绝经后的吸烟女性中,乳腺癌风险增加只见于慢型NAT2者另一个可能与肿瘤易患性有关的因素是DNA修复能力许多研究报道DNA修复能力的个体差异很大,修复能力低与肿瘤易患性相关联例如,不同的人群对紫外线引起的DNA损伤修复能力有明显的差异,着色性干皮病由于对紫外线造成的DNA损伤修复缺陷,发生皮肤癌的风险比正常人高100多倍用DNA修复能力为标志物的皮肤癌和肺癌病例-对照分子流行病学研究表明,DNA修复能力随年龄的增加而降低;DNA修复能力低下是一般人群和具有家族性皮肤癌病史者(非着色性干皮病)发生皮肤癌的重要危险因素肺癌病人对致癌物苯并a芘二醇环氧化物引起的DNA损伤修复能力也显著低于健康对照者不但有多种基因可影响环境致癌物的作用,基因之间还可能协同作用从而使肿瘤风险度进一步增加在日本人中的研究发现,既携带变异CYP1A1又是GSTM1缺失的吸烟者,p53突变率和肺癌的风险度比携带野生型CYP1A1和正常GSTM1者,分别高8倍和6倍肝癌病例-对照研究也发现,环氧化物水解酶基因变异和GSTM1基因缺失对黄曲霉毒素B1诱发的p53突变和肝细胞癌风险增加有协同作用;这两种易感基因型单独作用的相对危险度分别为
3.3和
1.9,但联合作用的相对危险度为
9.4必须强调指出,不同的人种或民族之间在影响肿瘤易患性的遗传性状方面有很大差异,这可以部分解释为什么特定的人种或民族某些肿瘤的风险度特别高例如NAT2的慢代谢表型,白人约为50%,黑人为35%,而黄种人只有14%;这与膀胱癌风险度的人种差异是一致的CYP2E1基因变异在中国人和日本人中相当常见,但在高加索人和黑人中却相当罕见,这可能与某些癌症发生率在这些人种中的差异有关另一方面,环境中致癌物的性质和暴露强度强烈影响癌症风险度的地域差别和特定人群和个体的易患性因此,在论及肿瘤病因和易患性时,不能离开特定的人种或民族和环境因素两个背景更不能简单地把一个特定人种或人群的研究结果外延到另一个不同的人种或人群年龄、性别和营养等非遗传因素,也可通过生理状态和激素作用等途径,影响个体癌症易患性动物实验发现,喂饲富含蛋白质或添加硒的饲料,可抑制雌性大鼠乳腺癌的启动;相反,预先喂予高脂肪饲料则有促进作用含高脂肪的饲料可促进化学致癌物二甲基苯蒽诱导的小鼠皮肤肿瘤的启动限制能量可抑制黄曲霉毒素B1引起的大鼠肝肿瘤动物蛋白质(酪蛋白)含量高的饲料可促进含乙型肝炎病毒的转基因小鼠病毒抗原的表达饲料中缺乏提供甲基的营养素对p53基因有多种影响,表现为甲基化减少、表达增加;由此产生的肿瘤中p53突变谱与大部分人类肝癌中所见到的p53突变谱一致此外,饲料中缺乏甲基供体可引起大鼠肝ras和myc原癌基因表达增高,并可通过在饲料中添加甲基供体而逆转人类结肠癌可能与叶酸摄入不足有关,与此一致,叶酸缺乏可促进二甲基肼诱发的大鼠结肠癌叶酸或胆碱缺乏可在体内和体外诱发突变、染色体和DNA单链断裂、肿瘤抑制基因p53失活现在已越来越清楚,营养素和膳食中的其他生物活性物质,对癌形成过程的各个阶段均有影响许多微量营养素和生物活性化合物可抑制包括启动、促进和发展阶段的实验性致癌作用这些化合物通过各种作用机制,阻止化学致癌物引起的DNA损伤、基因突变和癌形成同时,流行病学研究也发现,富含微量营养素和抗氧化剂的植物性食品,对几乎所有器官的癌症都有预防作用临床实验业已证明,类视黄醇可降低上呼吸道和上消化道第二原发癌的发生率这说明类视黄醇作用于癌变后期,延缓或阻止癌变的促进最近的研究发现,重度吸烟者DNA损伤程度与血浆-生育醇和特异类胡萝卜素浓度呈负相关;然而,此种作用仅见于GSTM1缺失的吸烟者综上所述可以得出这样的结论,即不同的个体对环境致癌的易患性不同,这种易患性是由许多遗传的和非遗传的因素构成的;环境-基因之间的相互作用非常复杂,它不只是单基因的作用而是多基因的联合作用肿瘤易患性知识对肿瘤的防治具有极其重要的意义首先,它可直接用于鉴定环境危险因素,使肿瘤病因研究中的因果关系和作用机理更加明确其次,它可被用于鉴别高风险个体,为制定对象明确的肿瘤预防策略提供科学依据第三,它可指导临床实践,如对高度易患者进行定期体检或有效普查以达到早诊早治的目的此外,它还可以指导易患者改变不良生活方式(如戒烟)以避免或减少暴露于致癌物的机会(林东昕)第3节物理致癌因素人类对某些物理因素致癌的认识也已有近百年的历史例如,在发现X-线6年后,就有人提出辐射可致皮肤癌到目前为止,已经肯定的物理致癌因素主要有电离辐射(ionizingradiation)、紫外线辐射(ultravioletradiation)和一些矿物纤维(mineralfiber)这些物质天然而普遍地存在于环境中,原本对人类是无害的,因为人类在进化过程中已经适应了它们的存在这些物质之所以成为与人类癌症有关的危险因素,常常是由于人们的生活和生产活动所造成的例如电离辐射,地球上的生物普遍暴露于而且适应于宇宙射线和地球本身放射性的辐射,但核工业和核医学等人为的使用核素却大大增加了辐射强度一些矿物纤维如石棉之所以成为致癌物,更是与它们被开采和商业化使用密不可分目前一般认为,物理致癌因素主要与某些职业性癌症关系密切,对于人类肿瘤的总负荷而言,其重要性可能远远小于与生活方式有关的致癌因素如化学因素然而,作为一类已经被肯定的致癌因素,临床医生必须对其有所了解本节主要讨论物理致癌因素与人类癌症的危险度以及它们可能的作用机理
一、电离辐射
(一)电离辐射的基本性质所谓电离辐射是指能量大到足以驱逐靶原子或靶分子中的一个或多个轨道电子的辐射这种辐射的重要特征是,可在局部释放出大量的能量,导致具有重要生物学作用的化学键断裂电离辐射可分为电磁辐射和粒子辐射电磁辐射是以电场和磁场交替振荡的方式转递能量,属于电磁波,如X-线和-线当这些射线穿越原子时,它们将部分或全部能量传递给轨道电子,产生快反冲电子,后者具有足够的能量发生电离粒子分为带电粒子和不带电粒子两种电子、质子、粒子或重离子等属带电粒子,这些粒子可直接电离;而中子属不带电粒子,它通过与原子核反应而产生具有电离作用的反冲质子、粒子和核碎片电离辐射的剂量一般以每单位组织吸收的能量来表示,其单位为Gray(戈瑞),1戈瑞等于1焦耳/kg对于密集的电离辐射来说,径迹结构十分重要,因此现在有用与细胞器大小相对应的微量或毫微量剂量单位尽管电磁辐射和粒子辐射最终都引起电子运动,但二者沿粒子径迹产生的电离密度不同例如,X-线辐射产生的二次电子,其电离密度小,为低线性能量传递辐射;而粒子质量大速度慢,其电离密度大,为高线性能量传递辐射线性能量传递的单位为keV/m,即每单位径迹长度的能量损失已经发现,暴露于相等吸收剂量的低线性能量传递和高线性能量传递辐射所产生的生物学效应不同,高线性能量传递辐射如中子辐射和粒子辐射的相对生物学作用高于低线性能量传递辐射如X-线和-线研究还发现,生物学作用最大的辐射是线性能量传递约为100keV/m的辐射,因为此种辐射径迹产生的电离间隔约为2nm,刚好相当于DNA双螺旋的直径这提示,辐射产生的最重要的损伤可能是细胞的DNA双链断裂
(二)电离辐射的来源和人群暴露量人类在进化过程中已经适应于宇宙射线和地球放射性的本底电离辐射然而,现代的人类除了接受本底辐射外,还暴露于人为制造的或人为增强的辐射源我国似乎还没有一般人群的年平均辐射量资料,这里只好列举美国的资料以供参考美国辐射保护和测量委员会在1987年的报告中估计,美国人暴露的平均有效辐射当量为
3.6mSv(1Sv=100rem)天然辐射占82%,其中氡(radon)辐射占55%;人为辐射占18%,其中主要是医源性辐射,占15%最近几年,氡辐射与肺癌的问题已引起越来越多的重视氡(主要指氡222)是从地壳扩散到大气中的放射性气体,可进行一系列衰变形成放射性子体在通风不良的房屋内和地下矿场中,此种核素可与尘粒凝聚在一起形成气溶胶,经吸入而沉积在气道中不同的地区氡的暴露量差异很大,主要决定于当地的岩石和土壤中铀的含量据测定,我国云南个旧锡矿氡的辐射剂量最高平均值为
2.910000Bq/m3(780pCi/L)在医源性辐射中X-线辐射占年总暴露量的11%;美国人的骨髓照射量平均约1mSv,当然个体之间的差异很大近20年来由于使用快速影片和改进了设备,个体的暴露量已经下降,但随着CT使用频率的增加,人群的平均暴露量则趋于上升
(三)电离辐射与肿瘤已经肯定暴露于电离辐射可增加实验动物和人类肿瘤的发生率与电离辐射有关的人类肿瘤主要有皮肤癌、肺癌、乳腺癌、骨肿瘤、甲状腺肿瘤和白血病研究发现,在受原子弹打击的日本广岛和长崎的幸存者中,白血病和所有实体瘤的发病率均有所增加辐射引起的肿瘤和其他遗传效应属于随机的远期效应(stochasticlateeffects),而不是辐射直接造成的即时反应所以,将肿瘤的个别病例与发病前所接受的辐射联系起来几乎是不可能的只有通过统计学方法比较暴露和不暴露于辐射的二组人群的肿瘤发生率,才能评价此种效应与其他因素诱发的肿瘤一样,辐射引起的肿瘤具有一定的潜伏期研究发现,辐射诱发的白血病潜伏期相对较短,例如在广岛和长崎遭受原子弹打击后5~7年,幸存者中就出现白血病发生率增高;而实体瘤的潜伏期则较长,发病率增高持续到核爆炸后40多年这反映电离辐射诱发的肿瘤可能也要经历起始、促进和发展之多阶段的漫长过程我国云南锡矿矿工中肺癌发病率异常增高与氡电离辐射有密切的关系1981年测定的资料表明,个人暴露的剂量当量最高达到
0.1Sv从1954~1986年登记的1724个肺癌病例,90%有矿下职业史有矿下职业史的15岁以上男性矿工,1983~1985年的肺癌发病率为585/105病例-对照研究发现,控制砷暴露、年龄、暴露开始的年龄以及吸烟等因素后,氡暴露量最高的人群发生肺癌的风险比不接触氡者高
9.5倍对17143个矿下作业工人的前瞻性队列研究也发现,发生肺癌的相对风险随氡暴露量的增加而呈线性增加,每增加一个工作月,风险性增加
0.6%辐射致癌受宿主的年龄、性别和遗传因素的影响一般来说,暴露于辐射时年龄越小,发生肿瘤的风险越大对核打击幸存者的研究表明,在10岁前暴露于辐射的女性乳腺癌风险显著增加,随着暴露时的年龄增加其风险稳定下降,暴露时处于中年的风险则很小年龄与辐射诱发白血病敏感性的关系比较复杂;有资料显示20岁以下和50岁以上受辐射者的风险高就性别而言,似乎女性的敏感性略高于男性,这可能与辐射易诱发某些女性特异性肿瘤如乳腺癌有关此外,辐射致甲状腺癌的易患性女性也高于男性相反,核打击幸存者中男性白血病和呼吸系统癌症风险似乎高于女性遗传因素对辐射致癌的影响目前还不清楚,虽然有实验证明某些遗传病病人的细胞在体外对电离辐射杀伤和诱发的染色单体畸变易感DNA损伤是辐射远期效应的重要事件,因此DNA损伤修复的个体差异可能是影响辐射致癌的遗传易患性因素之一辐射致癌的机理还不十分清楚然而,目前普遍认为,使癌基因活化和肿瘤抑制基因失活可能是各种致癌因素作用的共同途径碱基突变、染色体易位或基因扩增等DNA损伤均可导致癌基因的活化;染色体丢失或碱基突变可引起肿瘤抑制基因失活电离辐射可强烈诱发染色体丢失和易位,同时也可不同程度地诱发碱基突变,因此,对DNA的这些损伤作用可能是辐射致癌的机理所在最近的报道表明,日本广岛和长崎遭受核打击幸存者的肝癌组织标本中,p53突变频率高于普通日本人群肝癌的本底水平,而且与辐射强度呈剂量-效应关系
(四)医源性辐射与肿瘤风险医源性辐射主要有二类,即来自于放射治疗和放射诊断的辐射长期以来,对治疗性辐射是否产生继发性恶性肿瘤的认识并不统一,研究结果也相互矛盾有些研究者报道,剂量在40~60Gy之间的局部照射不引起继发性肿瘤风险增加;但另一些研究者则认为,健康的器官接受大剂量照射可产生肿瘤目前,临床上治疗肿瘤往往是化学治疗和放射治疗同时并举,这样很难鉴别出辐射本身的风险有两个大样本的前瞻性研究表明,放射治疗可增加继发性肿瘤的风险这两个独立的研究均以子宫颈癌患者为研究对象,选择子宫颈癌患者的优点在于病人存活时间长、可获得精确的暴露剂量、此种癌症极少使用化学治疗而且可获得以手术治疗的病人为对照日本学者观察了分别用放射、手术或术后放射治疗的11000多例子宫颈癌患者,发现照射区域的器官如直肠和膀胱的继发性肿瘤发生率增加;照射后病人的白血病发生率也增加有人研究了150000例子宫颈癌患者,发现数百Gy剂量的辐射可增加直肠癌、膀胱癌、阴道癌风险此外,骨癌、子宫体癌、盲肠癌和非何杰金氏淋巴瘤的风险似乎也增高辐射剂量与女性生殖器官总的肿瘤发生率呈明显的剂量-反应关系,当辐射剂量高于150Gy时继发性肿瘤发生率增加5倍在存活15年的患者中,肾癌发生率也显著增加照射时年龄小、存活时间长的患者,与辐射有关的继发性肿瘤风险高综上所述,放射治疗确实可增加受辐射的靶组织以及靶组织以外一些器官发生肿瘤的风险但据估计,最多只有5%的继发性肿瘤与放射治疗有关放射诊断方法的应用正日益扩大和增加,因此放射诊断的辐射与肿瘤风险关系是更值得重视的问题我国人群接受放射诊断辐射的人均剂量不得而知,美国报道其成年人接受放射诊断辐射的年均骨髓剂量为
0.75~
1.14mGy因为白血病与辐射有关,所以了解骨髓辐射剂量十分重要美国在1980年代源于全部诊断的累计有效辐射剂量当量为92000人-Sv,1990年代因CT使用增加,这个数字可能也在增加据估计,放射诊断应用1年可产生1740例致死性恶性肿瘤和580例非致死性恶性肿瘤,其中约一半是白血病有效辐射剂量当量最高的钡灌肠诊断的风险为一万七千分之一,而有效辐射剂量当量最低的X-线照相的风险只有二百五十万分之一此等风险与生活中其他危险因素相比,实在是微乎其微另一个受关注的问题是一些放射普查,如乳腺X-线照相目前对以X-线照相普查来降低乳腺癌死亡率尚有不同看法年龄是决定乳腺癌预后以及辐射诱发乳腺癌易患性的关键因素因此,现在普遍认为,X-线照相普查对降低中老年女性的乳腺癌死亡率有利,而对较年轻的女性则无益处就目前乳腺X-线照相术所用的辐射剂量(约
0.2cGy)的利弊(风险)而言,年龄大于45岁的女性普查利大于弊国内曾对27011个职业接触诊断性X-线的工作人员进行随访研究,发现发生癌症的相对风险为
1.21,风险性显著增高的主要是白血病、皮肤癌、食管癌、肝癌、乳腺癌、甲状腺癌和骨癌
二、紫外线辐射
(一)紫外线辐射与皮肤癌人类在100年前就认识到日光照射在皮肤癌病因学上的重要作用以后经过动物实验发现,日光照射中的致癌成分是紫外线(UV);引起皮肤癌的紫外线主要是波长为280~320nm的UVB,虽然长时间暴露于高剂量的UVA(320~400nm)也可引起皮肤肿瘤流行病学资料表明,长期经常暴露于紫外线辐射主要引起皮肤的基底细胞癌和鳞状细胞癌另一种死亡率较高的恶性黑色素瘤与紫外线辐射的关系尚不十分明确,虽然有资料提示此种恶性肿瘤的发生可能与剧烈的日光浴有关因为没有实验证明紫外线辐射可使黑色素细胞发生恶性转化,所以有人提出紫外线辐射对免疫系统的影响,可能在这种肿瘤的发生过程中起重要作用地球大气层中的臭氧可有效吸收日光中的紫外线,防止紫外线特别是UVB辐射到地球最近发现,大气臭氧层在不断减少,其原因可能与人类大量使用含氯氟烃有关臭氧层耗竭将造成地球上的UVB辐射增加,因此有可能使人类的皮肤癌发病率增高研究表明,臭氧层每减少1%,致癌性紫外线辐射就要增加
1.6%;根据动物致癌实验的剂量-反应曲线计算,这将导致地球上的皮肤癌增加
2.7%美国的统计资料显示,各种皮肤肿瘤的发生率都在显著增加,其中恶性黑色素瘤自1950年以来每年发生率增加6%,死亡率增加2%此种增加趋势是否与臭氧层减少有关还有待于阐明皮肤中的黑色素对紫外线辐射具有屏障作用,因此,不同肤色的人种对紫外线辐射诱发的皮肤癌敏感性不同白色人种的皮肤癌发病率很高,例如美国每年发现的50万新病例主要是白人在夏威夷的研究表明,白人的发病率是亚洲人发病率的40倍我国尚无皮肤癌发病率资料,只有死亡率资料1990~1992年中国人的皮肤癌(包括恶性黑色素瘤)死亡率为10万分之
0.7,只占全部肿瘤死因构成的
0.6%
(二)紫外线致癌机理研究发现,阳光中的紫外线辐射可诱发特异的DNA损伤,即产生嘧啶二聚体用人的成纤维细胞进行的实验表明,此种嘧啶二聚体经酶促光复活修复后,可阻止细胞癌变此外,着色性干皮病病人因DNA修复缺陷,暴露于阳光的皮肤部位发生肿瘤的风险比正常人高数百倍这些事实证明,紫外线辐射产生的DNA损伤如果不被有效地修复可引起癌症人体内有一系列的DNA修复系统,以防御体外或体内因素引起的DNA损伤,但哪一个系统起作用则取决于损伤的性质目前已知,紫外线引起的DNA损伤主要由核苷酸切除修复系统修复该途径是由内切酶将嘧啶二聚体及其邻近的核苷酸切除,再以正常的DNA链为模板修复裂隙然而,这个过程实际上非常复杂,有许多基因参与,而且其中许多基因产物不是直接的修复复合体的成员,而是与DNA转录有关的酶这表明,此种修复可能是与转录相联接的癌基因激活和肿瘤抑制基因失活可能是肿瘤形成的直接原因研究发现,人的皮肤癌细胞有ras基因突变,而且这些突变大多数位于富含嘧啶的序列,提示可能是紫外线辐射损伤后造成的另一方面,皮肤癌中也常见p53肿瘤抑制基因突变,这些突变均发生在双嘧啶碱基位置;有些肿瘤中还存在仅见于紫外线诱发的CCTT双碱基突变因为体内其他器官的肿瘤不存在这些特异性的突变,所以表明这些突变与紫外线辐射有关紫外线辐射致癌也经历多阶段过程,即启动阶段和已启动的细胞克隆扩展阶段免疫系统功能低下对转化细胞克隆的扩展和肿瘤恶性发展过程可能有重要影响大多数紫外线诱发的小鼠皮肤癌具有高度抗原性,当移植到正常的同系动物时会遭受强烈的排斥反应;然而此种肿瘤若移植到免疫受抑制的动物身上时却可继续生长研究发现,长期暴露于紫外线辐射的动物,因产生抑制性T淋巴细胞而丧失对移植的紫外线诱发的肿瘤的排斥能力,但对化学致癌物诱发的肿瘤则仍可排斥抑制性T淋巴细胞对原发癌的生长非常重要,因为裸鼠事先在其他部位照射紫外线后再照射特定部位,肿瘤发生的速度加快如果照射紫外线时已存在抑制性T淋巴细胞,那么肿瘤的潜伏期缩短、发生率增加因此,紫外线致癌至少涉及二个改变,即
(1)DNA损伤导致细胞转化,
(2)特异的系统性免疫功能改变促使肿瘤生长人类暴露于紫外线辐射后免疫系统功能也发生改变,如接触超敏反应性(contacthypersensitivity)降低研究发现,紫外线引起的免疫功能抑制主要是产生T-抑制细胞,后者可抑制各种免疫反应日光诱发的皮肤癌病人体内存在T-抑制细胞,而X-线诱发的皮肤癌则不存在此种细胞此外,持续暴露于紫外线可增加X-线辐射的致癌作用,推测其作用机理可能与紫外线辐射抑制免疫系统功能有关
三、石棉
(一)石棉与肿瘤石棉(asbestos)是一类天然纤维状的水合硅酸盐矿物的商业名称,又分温石棉(chrysotile)和青石棉(crocidolite)两种石棉具有良好的防火和保温性能,人类广泛使用石棉开始于20世纪初但在使用后不久就发现石棉可致石棉肺1950年代发现石棉矿工的肺癌和恶性间皮瘤(mesothelioma)与石棉有关;1960年代发现,接触石棉的工人如石棉纺织工人、管道隔热工人和船坞工人的肺癌和恶性间皮瘤发生率增加此外,与石棉有关的疾病不只限于职业接触的个体,而且波及加工或使用石棉企业周围的公众石棉与恶性间皮瘤以及肺癌的病因学关系已经确定,我国政府于1986年已将暴露于石棉而致恶性间皮瘤和肺癌定为职业性肿瘤流行病学资料表明,恶性间皮瘤主要与接触青石棉有关;但石棉引起肺癌发生率增加似乎与石棉的种类关系不大在接触石棉的工人中,最常见的恶性肿瘤是肺癌,其次是恶性间皮瘤;胃肠道肿瘤也有所增加但对一般人群而言,因接触石棉而发生肺癌的风险可能很小环境中三大致癌物即吸烟、电离辐射和石棉对肺癌的形成可能有协同的相互作用,这使对石棉与肺癌的危险度评价变得格外复杂和不肯定恶性间皮瘤是石棉等纤维引起的特异性肿瘤,然而大约有20%的病例发生在无职业接触史的一般人群中石棉致癌的潜伏期相当长,一般在暴露后的15~40年才出现肿瘤潜伏期似乎与肿瘤类型、接触的石棉浓度和开始接触的年龄有关,即浓度高潜伏期短,年龄大潜伏期长在与石棉有关的肿瘤中,恶性间皮瘤的潜伏期最长,一般在接触后的35~40年才出现发病高峰
(二)石棉致癌的机理总的说来纤维致癌的机理尚未完全阐明对于致癌性而言,纤维的物理形态可能比化学成分更重要动物实验表明,长而细的纤维比短而粗的纤维致癌性强;长度大于8m直径小于
1.5m且其比值为3:1的纤维具有致癌性细胞培养实验发现,石棉进入细胞的方式主要是通过细胞的吞噬作用,被吞噬的纤维聚集于细胞核周围;细胞主要吞噬较长的纤维,短纤维则聚集于细胞表面正如其他环境致癌物的作用机理一样,DNA损伤可能也是石棉致癌的主要作用机理研究发现,石棉纤维可诱发动物培养细胞的微核形成、染色体畸变和恶性转化长期以来,大多数致突变实验都没能证实石棉具有致突变性然而,用人鼠杂交细胞AL的研究发现,石棉是一种强烈的致突变物,主要诱发基因的大片断缺失因为一些基因的大片断缺失不影响AL细胞的存活,所以用此种细胞使原本难以检测的突变性得以检测这些结果为石棉诱发的人类及动物细胞系染色体畸变与其致癌性提供了直接的联系事实上,在人的恶性间皮瘤中常见有染色体缺失、倒位和易位氧自由基形成可能是石棉损伤DNA的重要原因若干研究表明,多种致癌性石棉纤维含铁,后者可催化分子氧的单电子还原反应形成活性氧而且,被细胞吞噬的石棉纤维上的铁可通过与细胞内螯合剂结合而移动,使远离纤维的地方产生自由基另一方面,过氧化氢酶和超氧化物歧化酶可显著抑制石棉的致突变作用,进一步提示自由基形成在石棉致癌和致突变作用中起重要作用近几年对石棉致癌的分子生物学机制进行了一些研究对人的间皮瘤细胞株和正常间皮细胞株的分析发现,间皮瘤细胞的原癌基因c-sis产物血小板源性生长因子(PDGF)的表达高于正常间皮细胞青石棉和温石棉均可诱导哺乳类细胞从G1期进入S期的早期反应基因c-fos和c-jun的持续表达,而且呈剂量依赖性关系此外,石棉本身可能还有促癌作用,因为有证据表明石棉纤维可通过调节钙流出量、细胞膜二酰甘油含量、蛋白激酶C和鸟氨酸脱羧酶水平等激活细胞信号传导通路而加速细胞的生长和增殖林东昕第四节生物致癌因素
一、寄生虫和细菌有若干寄生虫和细菌感染可引起人类肿瘤与肿瘤有关的寄生虫主要是裂体吸虫(Schistosoma)和肝吸虫(Liverflukes)已有充分证据证明,裂体吸虫属中的埃及血吸虫(S.haematobium)感染可诱发膀胱癌因此,埃及血吸虫已被国际癌症研究中心列为“有充分证据的人类致癌物”(即第一类)在我国和亚洲其他一些地区分布的裂体吸虫属主要是日本血吸虫(S.japoniccum),此种寄生虫感染曾经在我国一些地区十分流行生态学和流行病学研究发现,日本血吸虫感染与某些癌症尤其是结肠直肠癌发生率增高显著相关国际癌症研究中心已将日本血吸虫列为“人类可能的致癌物”(第二类B)在我国分布的肝吸虫主要是华支睾吸虫(Clonorchissinensis),华支睾吸虫病在东南地区和东北地区较为常见华支睾吸虫感染可能与肝细胞癌和胆管癌有关,国际癌症研究中心已把华支睾吸虫归类于“人类很可能的致癌物”(第二类A)在细菌感染中,幽门螺杆菌(Helicobacterpylori)感染与胃癌病因的关系近年来受到极大重视幽门螺杆菌感染是导致慢性胃炎和十二指肠溃疡的主要原因,而慢性萎缩性胃炎是胃癌的癌前病变,这提示此种细菌感染可能与胃癌的发生有密切关系许多流行病学研究证实,幽门螺杆菌感染率与胃癌发病率或死亡率呈正相关国际癌症研究中心根据现有的研究结果,已将幽门螺杆菌列为“有充分证据的人类致癌物”(即第一类)幽门螺杆菌与胃癌病因的关系可参阅有关胃癌的章节慢性感染和炎症可能通过下述若干机理导致细胞癌变首先,在感染原的刺激下,炎症细胞被激活产生活性氧和活性氮以杀灭入侵的病原然而,这些自由基对周围正常组织中的大分子如DNA也具有损伤作用,可引起基因突变、DNA链断裂和染色体异常这些DNA损伤可启动细胞癌变其次,被感染的组织中细胞分裂速度增高而DNA修复效率降低,使被固定下来的突变率增加再者,炎症细胞可分泌各种细胞因子和酶,促使癌变细胞生长此外,细菌和其他寄生虫可能产生毒物和致癌物例如,细菌和炎症细胞可通过一氧化氮产生亚硝化剂与此相一致,已发现在感染埃及血吸虫病人的膀胱上皮和感染曼氏血吸虫(S.mansoni)的小鼠肝中有DNA烷基化损伤受感染的宿主对致癌物和某些内源性物质代谢的改变,也可能在癌变过程中起一定的作用林东昕
二、病毒与肿瘤
(一)病毒与肿瘤研究概况对人类癌症而言,病毒可能是生物致癌因素中最主要的因素据估计,在全世界范围内约有七分之一的人类癌症是因感染病毒所致,其中80%是由于感染乙型肝炎病毒(与肝细胞癌相关)和人乳头瘤病毒(与子宫颈癌相关)病毒与肿瘤关系的研究发现,不但对肿瘤病因学有很大的贡献,而且为现代分子生物学的重要发展奠定了基础例如,逆转录酶的发现、DNA重组技术的发展、mRNA剪接以及癌基因的发现都直接来自病毒肿瘤学的研究成果对病毒致癌作用的研究始于本世纪初1908年Ellerman和Bang发现,自发性鸡白血病的无细胞滤液能感染鸡并引起白血病1911年Rous发现用鸡肉瘤的无细胞滤液接种小鸡数周后,发生相同类型的肿瘤随后,在鸡胚绒毛尿囊膜上接种肿瘤组织滤液形成肿瘤,成功地用鸡胚作为肿瘤组织的移植、传代和对这种过滤性因子的培养Rous等人的创举为肿瘤病毒病因研究奠定了基础,他用鸡胚繁殖鸡肉瘤病毒的方法沿用至今1974年Claude等观察到该病毒颗粒并命名为Rous肉瘤病毒Rous肉瘤病毒能在培养的敏感细胞中繁殖和传代,对研究肿瘤病毒与宿主细胞相互关系具有重要意义逆转录酶的发现和第一个癌基因v-src在病毒基因组中的定位,都是在这一系统中研究获得的重要结果Shope于1933年在哺乳动物肿瘤中发现病毒用Shope肉瘤病毒感染家兔,可诱发良性乳头瘤,其中少数肿瘤有恶变用免疫荧光方法在乳头瘤的角化细胞里检查到病毒抗原并分离出病毒,而在基底层细胞中则不存在病毒或病毒抗原,表明病毒的复制和成熟与细胞分化状态有关Lucke证明病毒能引起蛙的肾腺癌Bittner发现小鼠自发性乳腺癌是由病毒引起的,并可通过乳汁传给子鼠;1951年Gross分离到小鼠白血病病毒,并陆续报道病毒引起的大鼠、豚鼠、猫、狗和猴白血病病毒性白血病不仅广泛地存在于多种动物,也表现多种病理类型实验证明白血病病毒可垂直传播,从亲代传给子代,也可水平传播,如猫白血病病毒经唾液传播动物白血病病毒的感染和致瘤作用可超越种属界限例如,小鼠白血病病毒可感染大鼠,猫白血病病毒可感染狗,牛白血病病毒可引起羊白血病动物白血病病因和实验方法的建立为人类白血病病因的研究提供了依据和试验技术随后的研究发现,一些DNA肿瘤病毒可在小鼠和其他啮齿类动物引起肿瘤,如多瘤病毒SV401960年代以来,又陆续发现许多病毒可以引起肿瘤,大部分DNA肿瘤病毒均能在一定条件下引起动物肿瘤如人类腺病毒、乳头瘤病毒、疱疹病毒对人和动物都有致瘤作用人腺病毒至少有30多个血清型,具有不同程度的致瘤作用;其他动物,如鸡、牛和猴腺病毒也有致瘤作用腺病毒诱发肿瘤的特点之一是肿瘤只发生在异种动物某些腺病毒,如人腺病毒5型不表现直接的致瘤作用,但在体外能诱导细胞转化,转化的细胞可在同系动物体内产生移植瘤人腺病毒与人类肿瘤病因的关系至今尚未得到证实1962年,Burkitt经流行病学调查和地理病理分析,认为东非儿童中高发的特殊类型的淋巴瘤可能与传染因子有关1964年,Epstein和Barr对淋巴瘤活检组织进行体外培养并进行电镜观察,发现了疱疹样病毒颗粒,并命名为Epstein-Barr病毒EB病毒EB病毒与人类的Burkitt’s淋巴瘤、鼻咽癌以及多种淋巴瘤的发生有密切关系1970年代初,日本南部沿海湿热地区的人群中T细胞白血病高发从这种病人建立的T细胞株为靶细胞,在高发区成人血清阳性率达26%,而非流行区仅为2%1981年Hinuma等在该株细胞中观察到C型病毒颗粒与此同时,Gallo等从人皮肤型T细胞淋巴瘤组织中分离到C型病毒近年来的研究表明,人类的病毒与宫颈癌和肝癌的发生有关肿瘤病毒除具有病毒的一般生物学特征外,它们能通过其遗传信息DNA或RNA整合到宿主细胞DNA上发挥其致瘤作用,在肿瘤病毒的基因组中还含有特殊的序列,称病毒癌基因(v-onc),编码癌蛋白,致细胞恶性转化
(二)病毒与肿瘤研究方法某些肿瘤细胞携带处于抑制状态的肿瘤病毒基因组,经过体外培养发生去阻遏作用,导致病毒颗粒形成或合成病毒的相关抗原在高白血病的小鼠胚胎细胞中几乎看不到C型病毒颗粒,但经体外培养并连续传代后,能容易地看到病毒颗粒以类似的方法对白血病高发的牛的淋巴细胞进行培养,用植物凝集素刺激细胞增殖,可观察到病毒颗粒及正在芽生的病毒EB病毒是Epstein和Barr在体外培养的Burkitt’s淋巴瘤细胞中发现的从肿瘤组织建立细胞株,可以研究肿瘤细胞中的病毒颗粒或病毒基因组或基因决定的特异性抗原体外培养的细胞也可用来研究肿瘤病毒的致瘤特性和体外转化细胞的能力如EB病毒能使人的B淋巴细胞转化,转化的细胞带有EB病毒基因组,可产生EB病毒,并能使棉顶猴产生致死性肿瘤紫外线灭活的或中性红处理的人疱疹病毒II型,仍然保持使正常细胞转化的能力肿瘤病毒的激活包括两层含义,即显示出细胞中潜伏的病毒颗粒或增加含病毒基因的细胞数后者在血清流行病学中用作靶细胞及病毒的分离和纯化中显得更重要目前具激活肿瘤病毒作用的因子包括化学、物理及免疫因子等X-线等放射作用多用于整体动物,而化学物质如卤代嘧啶(BUdR和IUdR)、正丁酸钠、TPA和Teleocidin多用于组织培养细胞肾上腺皮质类固醇激素单独使用没有激活效应,但与IUdR联合使用,对BALC/3T3细胞中C型病毒的激活作用提高5~25倍地塞米松能刺激小鼠乳腺癌细胞产生B型病毒对EB病毒最早使用的激活剂是BUdR和IudR,它只增加含EB病毒壳抗原和早期抗原的阳性细胞数TPA和Teleocidin不但能激活细胞产生病毒抗原,而且能形成病毒颗粒用20ng/mlTPA处理P3HRI和B95-8细胞,壳抗原阳性细胞数增加10倍,病毒核酸合成量提高20~40倍,电镜下可见聚集的EB病毒颗粒;对Raji细胞EA合成提高一千倍Teleocidin除激活作用外,
0.02~
0.5ng/ml的浓度可促进细胞在体外生长和建株根据病毒特有的形态学特征,用超薄切片和负染技术可检查病毒及其亚结构很多肿瘤病毒是用电镜特别是免疫电镜观察到的例如,人肿瘤病毒如EB病毒、白血病病毒、人乳头瘤病毒、传染性软疣和寻常疣病毒等都是用电镜证明其存在用特异性探针,研究肿瘤细胞中特定病毒基因是肿瘤病毒病因学研究的重要手段以EB病毒核酸为探针,发现鼻咽癌细胞中存在EB病毒基因组以乙型肝炎病毒DNA为探针,在68%的原发性人肝癌细胞中检出了整合的病毒核酸此外,以核酸探针证明了EB病毒与Hodgkin病的关系,人乳头瘤病毒与宫颈癌及皮肤疣的关系用斑点杂交方法,把一定数量的待检细胞样品直接点在硝酸纤维膜上,简化操作程序,其敏感性达5~50pg特别是PCR技术的应用,使分子杂交技术更敏感和特异血清学检查是研究病毒与肿瘤关系的另一种方法可用各种血清学方法检测病毒、病毒抗原或抗体前瞻性血清流行病学在肿瘤病毒病因学研究中具有格外重要的意义人肿瘤组织经异种移植,在无胸腺小鼠裸鼠上可生长成肿瘤,并可在体外连续传代例如人鼻咽癌组织移植到无胸腺小鼠上成瘤,正常组织和血细胞被淘汰,能获得较纯的上皮细胞癌在移植瘤组织中可直接检查到EB病毒在肿瘤病因学研究中,用抗病毒预防疫苗观察其对肿瘤发病率的影响,可以确定病毒与肿瘤发生的因果关系例如,用Marek病毒预防疫苗接种可预防鸡的淋巴瘤,证明此种病毒与该肿瘤发生有直接关系在人类肿瘤中,接种乙肝疫苗可预防乙型肝炎,同时可能降低肝癌的发生率;应用HPV疫苗可能降低宫颈癌发生率;应用EB病毒疫苗有可能降低Burkitt’s淋巴瘤及鼻咽癌的发病率;这些预防措施可进一步证明其因果关系
(三)病毒与人类肿瘤成人T细胞白血病在日本西南部九州和四国等沿海地区,T细胞白血病和淋巴瘤常见因这两种肿瘤多见于成人,故称成人T细胞白血病(ATL)Miyoshi等将一例男性ATL病人外周血与脐血细胞共同培养,建立了MF-1细胞株1979年Hinuma在该细胞株中发现新的C型病毒,称其为成人T细胞白血病病毒(ATLV)1980年,美国国立癌症研究所Gallo等也报告从蕈样真菌病患者的淋巴结和外周血建立了HUT102和CTCL-3细胞株,后来又从皮肤型T细胞白血病病人的外周血建立了CTC-2细胞株从这些细胞株中分离到病毒,并称为人类T细胞白血病病毒(HTLV)这种病毒电镜下呈C型颗粒,有芽生,含高分子量的RNA和逆转录酶免疫学和分子生物学研究表明HTLV和ATLV是相同的病毒1983年9月在冷泉港举行的T细胞白血病病毒会上被定名为HTLV目前,从世界各地区已经分离出100多株HTLV由于病毒RNA和主要的核心蛋白(p24,p19)相似,所以称这些人类T细胞白血病病毒为HTLV-I1982年,美国人从毛细胞白血病病人的脾建立了一细胞株,其特征是OKT4+的成熟T细胞从该细胞中分离出C型病毒,其核酸序列与HTLV-1仅有一些相同,而核心抗原p24与HTLV-I不同,故称之为HTVL-II它与疾病的关系目前还不清楚法国巴斯德研究所Montagnier实验室从淋巴腺病综合症病人分离到一株新的逆转录酶病毒,命名为淋巴腺病综合征相关病毒,也称HTLV-III目前,国际病毒命名委员会将其定名为人免疫缺陷病毒(HIV)此种病毒属逆转录病毒科中的慢病毒亚科而不属于RNA肿瘤病毒亚科HIV与HTLV-I不同,后者与猴T淋巴细胞病毒相似,能使细胞增殖形成白血病而HIV与非洲绿猴的逆转录病毒相似,引起细胞病变血清流行病学调查表明,日本一些地区HTLV-I流行,成人T细胞淋巴白血病抗体阳性率超过95%美国东南部黑人抗体阳性者主要来自加勒比海地区,该地区ATL病人几乎100%抗体阳性日本西南部ATL流行区正常人血清HTL-I抗体阳性率为12%~16%,而非流行区仅为2%,病人家属血清抗体检出率明显高于其他人群在中国,对28个省市13000多人检测HTL-I抗体,检出率仅
0.1%,而且抗体阳性者其亲属均与日本人相关据报道在日本HTLV-I抗体阳性者超过100万,大部分人无任何病征,仅1%发展成ATL,其潜伏期最长可达20年HTLV-I感染的血清流行病学研究多以病毒感染的细胞作为抗原,以间接免疫学方法检测血清中的抗体,如间接免疫荧光、ELISA、被动血凝和免疫印迹法近年来,用分子生物学手段检测ATL病人瘤组织或体外培养细胞中的DNA,与血清学结果基本一致,但检测病毒DNA序列更为敏感,有人认为在ATL发病之前可检出整合的病毒DNA人乳头瘤病毒及其相关肿瘤人乳头瘤病毒(HPV)是一组形态和基因结构相似,但致瘤表现不同的病毒病毒的DNA呈双链环状约8Kb克隆的HPVDNA长度为
7.2~
8.0Kb人PV与动物PV具有相似的基因结构,都有早期区,晚期区和调控区早期区和晚期区各含约10个和2个开放阅读框架,占基因组的90%,调控区为非编码区,早期区依次编码E
6、E
7、E
1、E
8、E
2、E
4、E3和E5,其功能是复制病毒的DNA,转录调节和细胞转化例如E1和DNA复制有关,E6/E7为癌基因,其生物学功能是维持病毒DNA在细胞染色体外高拷贝并参与转化晚期区编码L1和L2蛋白,L1为主要结构蛋白,L2为次要结构蛋白其抗体与成熟病毒核衣壳作用HPV尚不能在体外培养,按克隆的DNA之间同源性差别分成不同的型目前已知有70余个型根据HPV命名委员会规定,假如新克隆的HPV的E
6、E7和L1阅读框架的核苷酸序列与任何已知型的序列同源性小于90%为新型,同源性大于90%为亚型用此法判定新型或亚型准确可靠,可重复HPV可引起人类的良性和恶性肿瘤(表3-4-1)良性肿瘤主要是
(1)上皮良性乳头瘤如寻常疣和扁平疣,以HPV
1、
3、4和7型为主
(2)粘膜良性肿瘤如女性外阴部尖锐湿疣,以HPV
6、11型为主
(3)纤维乳头瘤如口腔和喉乳头瘤HPV
16、18型引起的恶性肿瘤主要是宫颈癌和喉癌据WHO报道,全世界每年宫颈癌新发生病例近50万,在我国年新发病例14万以上早婚、早育和性生活不正常的人群,HPV感染率和宫颈癌发生率均高HPVDNA在细胞中的存在方式与癌变有关,在癌前病变中,病毒DNA多呈游离状态,在癌细胞中则呈整合状态HPV感染和感染细胞的癌变受宿主免疫状态、癌基因激活和其他外界因素的影响HPV感染还可能与喉癌、食管癌以及肺癌有关,因为在这些癌组织中发现有HPVDNA表3-4-1人类生殖系统肿瘤中HPV的检出率%组织或细胞HPV16HPV18HPVX*子宫颈癌
49.
014.
822.8子宫颈腺癌
37.
514.
325.0子宫内膜癌000外阴癌
36.
012.
545.0阴茎癌
25.
08.
033.0正常子宫颈组织
2.400癌细胞株
25.
037.
537.5*除16和18型外的其他型HPV由于HPV不能在体外培养,目前没有特异的血清学方法检测机体的HPV感染和肿瘤组织中的相应抗原和抗体牛乳头瘤病毒和HPV的某些抗原有交叉反应用裂解的牛乳头瘤病毒的特异抗原检测特定人群的血清IgG抗体,发现其水平明显高于对照组免疫学方法可作为HPV感染的辅助诊断和流行病学调查用免疫组化方法,检测活检组织和石蜡切片中的HPV,其阳性率为50%~60%这种方法还可以观察到HPV及其产物在细胞内的位置DNA克隆技术和分子杂交技术的应用,提高了HPV的检出率已在体外克隆了很多型的HPV的DNA,并在大肠杆菌中复制制成的标记DNA探针,可检测标本中的HPV近年来建立的多聚酶链反应(PCR)检测方法较核酸杂交技术更敏感,同样可用于从组织包括组织切片或脱落细胞提取的DNA石蜡切片用于回顾性研究,细胞内原位PCR杂交方法能很好地定位嗜肝DNA病毒与原发性肝细胞癌肝炎病毒的靶器官是肝脏,按照病毒的生物学特性、临床和流行病学特点,目前已经确定人的肝炎病毒有五种,包括甲、乙、丙、丁戊肝炎它们的抗原之间没有交叉反应,因此,机体可能受不同类型的肝炎病毒感染,其中乙肝病毒与原发性肝细胞癌有关乙型肝炎病毒(HBV)是一种DNA病毒,核酸呈双链不完全环状,长链为负链,有一缺口,短链为正链长短链的5’末端碱基互补,构成粘性末端HBVDNA约
3.2Kb,长链含全部病毒蛋白的编码序列,有四个开放读码框架,分别为S、C、E和X区编码的相应蛋白质分别称表面抗原(HBsAg)、核心抗原(HBcAg)、e抗原(HBeAg)、X抗原(HBxAg)和DNA聚合酶HBVDNA的转录产物分别为
3.5Kb、
2.4Kb、
2.1Kb和
0.8Kb的mRNA
3.5KbmRNA位于前C区,是病毒DNA复制的中间体,是HBsAg、HBeAg和DNA聚合酶的mRNA
2.4KbmRNA和
2.1KbmRNA分别编码含前S1的大蛋白和含前S2的中蛋白;
0.8KbmRNA编码X蛋白具有感染性的病毒颗粒称Dane氏颗粒,直径42nmHBsAg直径为22nm的球状颗粒和长27nm的管状颗粒,在血清中占多数,其数量是Dane颗粒的几千倍,可高达100ug/ml以上HBV的传播途径以血制品为主,在唾液、乳汁、尿和阴道分泌物中有病毒存在唾液可感染黑猩猩,电镜观察到病毒颗粒病毒侵入机体后,进入血液循环,并定位于肝细胞在我国,人群的感染率约为60%,其中80%~90%急性感染后痊愈,产生HBsAg抗体,病毒消失约10%~20%急性感染的病人转为慢性肝炎,表现HBsAg阳性;其中部分可发展成肝硬化或肝癌孕妇携带HBsAg可在围产期传染给新生儿,其中30%~40%成为HBsAg阳性者HBV的三种主要抗原HBsAg、HBeAg和HBcAg及其相应的抗体是HBV感染的主要标志HBsAg在临床症状出现前1~2周即可检出,HBcAg存在肝细胞核内,血清中无游离的HBcAgHBeAg是由HBcAg经酶降解产生的,血清中HBeAg阳性表示感染处于活动期,具高度传染性HBV主要抗原和抗体在临床上的意义见表3-4-2表3-4-
2.HBV抗原和抗体在临床诊断中的意义HBsAg抗HBsAgHBeAg抗HBeAg抗HBcAg诊断+++急性期,高感染性+++慢性期,有感染性++慢性期,有感染性++慢性期,有感染性+++恢复期++恢复期+疫苗免疫丙型肝炎病毒(HCV)属黄病毒科,为单链RNA病毒病毒直径30~50nm,包膜由糖蛋白和类脂组成,能被有机溶剂灭活HCV至今未获分离,其血清流行病学研究和诊断是以基因工程表达的抗原检测血清中的抗体或用核酸杂交及PCR检测HCVRNA流行病学资料表明HBV感染和肝癌的发病率有明显的相关性欧美国家的HBV感染率低,肝癌的发生率也低(3/105),而非洲、东南亚和中国HBV感染率高,肝癌发生率也高(25~100/105)世界卫生组织公布的资料表明,1996年全世界新发生的肝癌病例为54万,其中中国的病例数占55%我国肝癌主要集中在东南沿海的江苏、广东、广西、福建、浙江和上海肝癌病人均有HBV感染背景,HBsAg阳性携带者发生肝癌的相对风险明显高于HBsAg阴性者,表明HBV与肝癌的发生有密切关系HBV引起肝癌的证据是从肝癌细胞中检查到整合的HBV的DNA,肝癌组织和癌旁组织免疫组化检测到HBsAg和HBcAg,电镜观察到HBV样颗粒动物实验研究证明肝炎病毒在致癌中的作用幼龄土拨鼠接种土拨鼠肝炎病毒,发生慢性活动性肝炎,最终导致肝细胞癌;在癌细胞基因组中检出整合的病毒DNA以HBV感染树鼩,可诱发肝细胞癌,在肝脏和肝癌中均可检查到HBV的DNA,并整合于细胞DNA在患肝癌的病鸭血清中发现有病毒样颗粒HBV致人肝癌尚没有直接的证据病毒分子生物学研究进展显示HBV基因组的变异对病毒感染后所造成的不同临床表现起主要作用HBV基因组S区编码病毒的外膜蛋白,具有吸附于细胞表面受体的功能,包括前S
1、前S2和S区,每个区有起始密码子,在S区羧基端有共同的终止密码子外膜蛋白含389个氨基酸,其中表面抗原226个氨基酸,前S1区108个氨基酸,前S2区55个氨基酸,在124及147位氨基酸之间表现强抗原性,与抗体亲和力高研究发现,S区存在基因变异例如有报道发现前S1区有碱基缺失,在前S1和S2区有多处突变当T淋巴细胞和B淋巴细胞识别区有缺失时,可导致机体对此种病毒的清除力下降,使肝炎转为慢性病程C区突变可能影响HBV的复制和免疫原性,与发生重型肝炎有一定关系对原发性肝癌患者肝组织标本HBV的DNA进行嵌套式PCR扩增,发现不仅有病毒复制,而且有病毒变异有报道认为C区变异可能被细胞毒性T淋巴细胞识别,引起炎症反应而导致重症肝炎X基因的表达产物HBxAg与病毒的复制有关,它在病人血清中早于HBsAg出现,而与HBVDNA同时出现,因此是病毒感染早期和病毒复制的标志实验发现X基因在强启动子控制下,转染3T3细胞可使细胞转化,接种此种细胞于裸鼠可形成肿瘤对原发性肝癌及在裸鼠体内移植的人肝癌组织的研究表明,HBV的DNA在宿主细胞中的整合发生在X区,提示X基因与细胞转化有关X基因控制和调节病毒基因组的表达,HBxAg反式激活作用导致癌的发生HCV感染易发展成慢性肝炎,其发生率为50%流行病学资料表明在HBV感染率较低的国家,大部分肝癌病人存在慢性HCV感染据报道,在日本HBV阴性和阳性的肝癌病人,HCV抗体阳性率分别为
94.4%和
34.5%,正常人群为
1.5%在意大利,肝癌病人HCV抗体检出率为65%,其他人群为8%,表明在HBV感染率较低的国家,HCV在肝癌发生中可能起重要作用HBsAg携带者和慢性肝炎患者再感染HDV时,临床特征是肝炎急性发作,或肝炎加重HDV感染与重症肝炎、肝硬化关系密切在90%慢性活动性肝炎和肝硬化患者的肝细胞内检到HDV血清流行病学调查显示原发性肝癌患者血清中HDV抗体明显高于同一地区非肝癌患者HDV感染旱獭后2~3年内发生肝癌EB病毒与相关癌症1964年,Epstein和Barr从来源于Burkitt’s淋巴瘤的细胞株中发现EB病毒Old于1966年首先用免疫扩散方法证明EB病毒与鼻咽癌的血清学关系1968年,Henle用免疫荧光方法证明EB病毒是传染性单核细胞增多症的病原之后,又相继发现EB病毒与多种人的疾病有关人群中的EB病毒感染十分普遍,原发感染后终生潜伏并引起多种急、慢性疾病在西方国家,年轻人原发感染EB病毒后,有70%的人患单核细胞增多症EB病毒是Burkitt’s淋巴瘤、鼻咽癌、X连锁淋巴细胞增生症、毛状粘膜白斑、移植后淋巴细胞增多症、何杰金氏病和T细胞淋巴瘤的病因近年来有报道认为,EB病毒感染可导致自身免疫病如系统性红斑狼疮、原发性再生障碍性贫血和Sjogrens综合症此外,有报道EB病毒与胃癌和平滑肌瘤的发生有关EB病毒颗粒由4个结构组成病毒中心为DNA,其外面是衣壳,直径100~110nm,含162个壳粒病毒颗粒最外层为双层类脂膜完整的病毒颗粒直径为200~300nmEB病毒至少含33种蛋白,在感染细胞内中可检出20多种病毒特异的结构和非结构蛋白EB病毒DNA为双链线状,分子量为172x107Kb其中带状疱疹病毒DNA最小,巨细胞病毒DNA最大DNA中有内部重复序列和末端重复序列线状DNA通过末端互补区环化,重复序列的数目和长度决定DNA的大小EB病毒基因组包括几个单一的序列,内部重复序列和末端重复序列EB病毒基因组编码病毒的结构蛋白和非结构蛋白在病毒感染后,病毒DNA复制前为早期蛋白,DNA合成之后多数为病毒的结构蛋白表3-4-3列出EB病毒的主要抗原及其开放阅读框架疱疹病毒重要特点之一是引起潜伏感染,在原发感染后,病毒在机体中长期潜伏潜伏感染的病毒能被激活,从而检出病毒或引起细胞病理变化EB病毒潜伏感染的证据是在正常人血清中终生维持一定的抗体水平和细胞免疫反应;从唾液腺中能分离出EB病毒,它能转化人的B淋巴细胞;正常人外周血B淋巴细胞在体外培养时,能自发转化成带有EB病毒基因的类淋巴母细胞株;在腮腺管上皮细胞中和外周血B淋巴细胞中可检出EB病毒的核酸;当机体免疫状态改变或在外界因素的影响下,病毒被激活,唾液中EB病毒排出增加表3-4-
3.EB病毒基因组编码的主要抗原潜伏感染蛋白未分类的早期抗原EBNA1BKRF1DNA聚合酶BALF5EBNA2BYRF1P96反式激活蛋白EBNA3BLRF3+BERF1P38ZEBRA反式激活蛋白EBNA4BERF2膜抗原EBNA5BAMH1W+Ygp340/220EBNA6BERF3+4gp250/200LMP1LMP2gp85TP1TP2病毒壳抗原早期抗原细胞浆内和细胞核内gp110BALF4P140p160BCLF1P160反式激活蛋白gp125P47-56拓扑异构酶p18早期抗原细胞核内蛋白激酶DNA酶BGLF5胸腺嘧啶激酶BXLF1核糖核酸还原酶BORF2和BARF1EB病毒对细胞的转化作用,是用紫外线灭活的人单纯疱疹病毒观察到的在转化的细胞中可见病毒DNA,表明单纯疱疹病毒DNA的特异片断可使细胞转化EB病毒的重要生物特性之一是使B淋巴细胞转化为永生化细胞株EB病毒可以转化人或某些灵长类的B淋巴细胞,转化的类淋巴母细胞中含有病毒的全部基因组,病毒的DNA以整合和游离两种形式存在于转化细胞转化细胞含病毒特异性相关抗原或病毒颗粒,药物激活或病毒再感染可增加抗原表达和病毒颗粒的产生转化的类淋巴母细胞对裸鼠致瘤,并能激活病毒基因而产生病毒目前发现灵长类棉顶猴对EB病毒敏感,EB病毒感染可导致棉顶猴产生致死性恶性肿瘤在我国南方,鼻咽癌是常见的恶性肿瘤,鼻咽癌高发的另一个地区是远东和北非由于EB病毒感染的人群很广,而鼻咽癌只发生在某些地区,提示EB病毒不是唯一的致癌因素,还有其他协同因素在起作用环境因素和个体遗传易感性可能非常重要EB病毒与鼻咽癌病因有关的证据是首先,用鼻咽癌活检组织建立的类淋巴母细胞株含有EB病毒基因,可产生EB病毒或EB病毒的相关抗原其次,癌变的鼻咽上皮细胞中存在EB病毒DNA,EBERs检出率为95%第三,在鼻咽癌活检组织中发现EB病毒相关抗原核抗原表达是病毒DNA整合和细胞转化的标志;早期抗原是EB病毒开始复制的标志;BKRF1编码的早期抗原与bcl癌基因同源,BZLF1编码的ZEBRA使EB病毒从潜伏感染转变为复制状态第四,鼻咽癌患者常含高滴度的抗EB病毒不同抗原(壳抗原、早期抗原、DNA酶和ZABRA等)的抗体第五,鼻咽癌组织的裸鼠移植瘤中可见EB病毒,并能转化人的脐血B淋巴细胞EB病毒还与其他肿瘤有关Burkitt’s淋巴瘤是非洲儿童的一种常见恶性肿瘤,多发生在15岁以前,7~8岁为发病高峰年龄一些报道认为EB病毒与何杰金氏病、类风湿性关节炎有关何杰金氏病在西方国家十分普遍,在病人血清中存在高滴度的EB病毒壳抗原抗体和早期抗原抗体1985年Poppema在何杰金氏病瘤细胞中检出EBNA和晚期抗原潜伏膜蛋白在不同类型的何杰金氏病中的表达有差异,以淋巴细胞为主的何杰金氏病,10%细胞潜伏膜蛋白阳性,而结节型阳性率为30%~40%,混合细胞型则高达96%分子杂交方法可检出瘤细胞中的病毒DNA;PCR方法病毒DNA检出率为60%~80%,EB病毒编码的EBERs阳性率为50%~75%在T细胞淋巴瘤、平滑肌肉瘤和胃癌中也发现有EB病毒DNA、EBERs或EB病毒相关蛋白血清流行病学资料表明存在相对高的抗体
(四)病毒疫苗与肿瘤预防用病毒疫苗预防动物肿瘤发生的成功例子是鸡的Marek肿瘤鸡的Marek肿瘤是由Marek病毒引起的,鸡群的自然发病率为10%~20%火鸡疱疹病毒I型与Marek病毒有共同的A、B抗原性经体外连续传代后火鸡疱疹病毒I型可丧失致癌作用有人用灭活的火鸡疱疹病毒I型喷洒鸡群,成功地预防Marek肿瘤发生从感染火鸡疱疹病毒I型的细胞中提取的蛋白也有较好的预防效果对于人类肿瘤而言,用基因工程产生的HPV疫苗预防皮肤疣、子宫颈癌以及其他生殖系统肿瘤,已取得较大进展真核细胞表达的HPV结构蛋白L1和L2,形成病毒样颗粒,具有较好的免疫源性对EB病毒,已提出用抗病毒疫苗预防感染以降低与其相关的肿瘤的发生率目前已经制成了多种类型的疫苗,如亚单位疫苗和以病毒为载体的重组疫苗等EB的亚单位疫苗有两种,一种是从带EB病毒基因的类淋巴母细胞膜上提取的自然表达的EB病毒特异性膜蛋白MA;另一种是用基因工程方法,在真核或原核细胞中表达MAEpstein等从B95-8细胞膜上提取MA,用于棉顶猴的预防取得良好结果(表3-4-4),为基因工程疫苗的研究和使用提供了前景但此种方法提取的MA的量有限,加上有可能混杂病毒DNA,所以不能作为人类的疫苗有人用痘苗病毒和带状疱疹病毒为载体构建重组病毒,在体外感染细胞以表达MA,然后去除MA的跨膜区,让表达的MA释放到细胞外,经纯化可制备EB病毒疫苗表3-4-
4.EB病毒MA对棉顶猴的防癌作用动物处理产生的抗体感染病毒后的肿瘤发生情况IFELISA中和抗体免疫1+++1800强*不发生肿瘤免疫2+++112000强不发生肿瘤对照1---发生肿瘤对照2---发生肿瘤*每ml血清中和大于10万淋巴细胞转化单位的病毒痘苗病毒天坛株作为疫苗预防天花安全有效以其为载体构建的重组病毒,在体外培养的细胞中表达EB病毒的MA,用此种MA免疫兔子产生的抗体对EB病毒感染有防护作用例如,9例幼儿按常规接种重组的痘苗病毒,一个月后均产生抗该痘苗病毒和EB病毒的中和抗体;16个月后,只有3个孩子自然感染EB病毒而不接种痘苗病毒的10个对照儿童均自然感染了EB病毒,并产生较高滴度的抗EB病毒的抗体已自然感染EB病毒的儿童,种痘后也能提高机体的中和抗体水平这些结果表明,EB病毒基因工程疫苗对预防EB病毒感染有一定的预防作用,也可提高潜伏感染的人群的免疫水平谷淑燕第三章主要参考文献1YuspaSHShieldPG.Etiologyofcancer:Chemicalfactors.In:DeVitaVTJrHellmanSRosenbergSAeds.Cancer:principlesandpracticeofoncology5thEd.Philadephia:Lippincott-Raven1997:
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1994.第三章索引A癌变的启动癌变的促进癌变的发展癌基因B白血病病毒鼻咽癌病毒疫苗C促癌剂成人T细胞白血病D电离辐射DNA加合物DNA链断裂DNA损伤DNA修复EEB病毒F分子流行病学分子生物标志物G肝炎病毒H化学致癌因素化学致癌机理J基因突变基因毒性致癌物Q前致癌物R人乳头瘤病毒人T细胞白血病病毒S生物致癌因素石棉T体细胞突变W物理致癌因素Z子宫颈癌致癌物代谢活化致癌物代谢解毒致癌物检测肿瘤病毒肿瘤病因肿瘤易患性肿瘤抑制基因紫外线辐射最终致癌物生化改变恶化发展阶段启动、促进阶段癌变阶段细胞-基质相互作用及细胞迁移改变基因组稳定性改变信号传导改变细胞间粘着改变生物学改变p53突变RNA剪接甲基化正常基因改变高危险的癌前病变低危险的癌前病变恶性肿瘤正常细胞ras突变apc突变染色体异常、杂合性丢失、抑癌基因突变(p53)致癌物及其代谢产物含量TGF表达TGF丢失TGF丢失整联蛋白/CD44剪接变体、蛋白酶分泌、AP-1活性增加临床疾病结构和功能改变早期生物效应生物有效剂量内剂量暴露DNA加合物和蛋白质加合物基因突变和染色体损伤等环境致癌物基因突变、扩增、易位、等位丢失、缺失等恶性肿瘤易患性因素代谢、DNA修复、肿瘤抑制基因种系突变、营养缺乏等PAGE63。