第七章 环境有害因素的致癌作用
环境有害因素别是化学致癌问题是当今社会倍受关注的热点之一，因为：①近年来肿瘤发病率和死亡率不断增高，发癌年龄年轻化；②查明了遗传因素和病毒的生物学因素虽与肿瘤发生有关。但并非是导致肿瘤发病率增高的主要原因；③发现环境化学污染和某些物理有害因素（如紫外线）与肿瘤发病率密切相关。WHO指出, 人类癌症90%与环境因素有关，其中主要是化学因素。
第一节 基本概念
致癌作用(carcinogenesis)是指环境有害因素引起或增进正常细胞发生恶性转化并发展成为肿瘤的过程。化学致癌(chemical carcinogenesis)是指化学物质引起或增进正常细胞发生恶性转化并发展成为肿瘤的过程。具有这类作用的化学物质称为化学致癌物(chemical carci-nogen)。在毒理学中，“癌”的概念广泛，包括上皮的恶性变(癌)，也包括间质的恶性变（肉瘤）及良性肿瘤。这是因为迄今为止尚未发现只诱发良性肿瘤的致癌物，而且，良性肿瘤有恶变的可能。
随着体细胞突变致癌研究深入，提出了癌基因（oncogene)致癌的概念，即携带致癌遗传信息的基因就是癌基因。在最早提出这个中文名词时，许多人认为并不准确，称“癌相关基因”更合适。不过现在这个概念已被大家接受，因此，本教材亦称作“癌基因”。正常细胞中也存在着在核酸水平及蛋白质产物水平与病毒癌基因高度相似的DNA序列，称为原癌基因 (proto-oncogene，c-onc)。在正常细胞中c-onc 的表达并不引起恶性变，其表达受到严密控制，并似乎对机体的生长和发育具有作用。随着相关研究报告的增多，“癌基因”和“原癌基因”这两个名词区分并不严格。
随着对癌基因研究的深入，发现肿瘤细胞的遗传学改变除涉及癌基因外，还涉及另一类基因，即肿瘤抑制基因（tumorsuppressor gene或onco-suppressor gene），或称抗癌基因（antioncogene），肿瘤抑制基因可抑制肿瘤细胞的肿瘤性状的表达，只有当它自己不能表达或其基因产物去活化才容许肿瘤性状的表达。也就是说正常细胞转化为肿瘤细胞最早涉及两类基因的遗传学改变，即癌基因和肿瘤抑制基因的改变。第一个被发现的肿瘤抑制基因是人类视网膜神经胶质瘤基因（Rb-1）。还有一些基因，如 P53（现在文献中也写作“P53”）也可能是肿瘤抑制基因。值得注意的是 P53如发生突变，则成为癌基因并具有使细胞获得无限生长的能力，与src有互补作用。
第二节 致癌物的分类
化学致癌物种类繁多，因此分类方法也各异。根据致癌物在体内发挥作用的方式可分为直接致癌物和间接致癌物。有些致癌物可以不经过代谢活化即具有活性，称为直接致癌物(direct acting carcinogen)；而大多数致癌物必须经代谢活化才具有致癌活性，称为间接致癌物(indirect acting carcinogen)，在其活化前称为前致癌物(procarcinogen)，经过代谢活化后的产物称为终致癌物(ultimate carcinogen)，在活化过程中接近终致癌物的中间产物称为近似致癌物(proximate carcinogen）。国际癌症研究所(IARC)对已进行致癌研究的化学物分为四类：1类，对人致癌性证据充分；2类，A组对人致癌性证据有限，但对动物致癌性证据充分，B组人致癌性证据有限，对动物致癌性证据也不充分；3类，现有证据未能对人类致癌性进行分级评价；4类，对人可能是非致癌物。
自1981年起， Weisburger和Williams等主要按照致癌物的作用特点提出致癌物的分类表，以后又多次修改该表。现在认为致癌物可分为三大类 。
1、遗传毒性致癌物 大部分“经典”的有机致癌物基本上属于这一大类。
(1)直接致癌物 其化学结构的固有特性是不需要代谢活化即具有亲电子活性，能与亲核分子(包括DNA)共价结合形成加合物(adduct)。这类物质绝大多数是合成的有机物，包括有：内酯类（如β-丙烯内酯，丙烷磺内酯和a,β-不饱和六环丙酯类）；烯化环氧化物（如1,2,3,4-丁二烯环氧化物）；亚胶类；硫酸类酯；芥子气和氮芥等；活性卤代烃类（如双氯甲醚、苄基氯、甲基碘和二甲氨基甲酰氯），其中双氯甲醇的高级卤代烃同系物随着烷基的碳原子增多，致癌活性下降。
除前述烷化剂外，一些铂的配位络合物(如二氯二氨基铂,二氯(吡咯烷)铂，以及二氧-1、2-二氨基环己烷铂)也有直接致癌活性，通常其顺式异构体的活性较反式异构体高。
(2)间接致癌物 这类致癌物往往不能在接触的局部致癌，而在其发生代谢活化的组织中致癌。前致癌物可分为天然和人工合成两大类。人工合成的包括有：多环或杂环芳烃［如苯并(a)芘、苯并(a)蒽、3-甲基胆蒽、7,12-H甲苯并(a)蒽、二苯并(a,h)蒽等］；单环芳香胺（如邻甲苯胺、邻茴香胺）；双环或多环芳香胺（如2-萘胺、联苯胺等）；喹啉（如苯并（g）喹啉等）；硝基呋喃；偶氮化合物(如二甲氨基偶氮苯等)；链状或环状亚硝胺类几乎都致癌。但随着烷基的不同,作用的靶器官也不同；烷基肼中二甲肼可致癌，肼本身有弱致癌力；甲醛和乙醛；氨基甲酸酯类中的乙酸、丙酯和丁酯均致癌，其中，以氨基甲酸乙酯(乌拉坦，亦称脲烷)致癌能力最强，卤代烃中的氯乙烯的致肝癌作用在近年受到广泛注意。其特点是诱发肝血管肉瘤。
天然物质及其加工产物在国际抗癌联盟(IARC)1978年公布的34种人类致癌物中占5种，取黄曲霉毒素、环孢素A、烟草和烟气、槟榔及酒精性饮料。
黄曲霉毒素B1已是最强烈的致癌物之一，黄曲霉毒素G1的致癌能力低得多。黄曲霉毒素B2和G2本身不致癌，但认为B2可在体内经生物转化小部分成为B1，故也有一定致癌能力。黄曲霉毒素B1对人和各种实验动物除小鼠外都能诱发肝癌，在特殊条件下仍可诱发肾癌和结肠癌。小鼠不易感可能是 GSH转移酶的活力水平较高，能有效地解毒。
一些毒菌的产物，如环孢素A、阿霉素、道诺霉素、更生霉素也是前致癌物。这些物质常作为药物使用。烟草即使未经燃烧和热解也会含有亚硝基去甲菸碱等致癌物。烟草的烟气中更含有多种致癌物，如多环芳烃、杂环化合物、酚类衍生物等致癌物。烟草的烟气中还含有大量促癌物，这就是提倡戒烟的原因之一。嚼食烟叶和使用鼻烟时所含的亚硝胺能诱发口腔癌和上呼吸道癌。槟榔中的槟榔碱可形成亚硝胺，口嚼槟榔使口腔癌和上消化道发癌率和死亡率增高。
（3）无机致癌物 钴、镭、氡可能由于其放射性而致癌。镍、铬、铅、铍及其某些盐类均可在一定条件下致癌，其中镍和钛的致癌性最强。
2、非遗传毒性致癌物 指根据目前的试验证明不能与DNA发生反应的致癌物。
（1）促癌剂 虽然促癌剂单独不致癌，却可促进亚致癌剂量的致癌物与机体接触启动后致癌，所以认为促癌作用是致癌作用的必要条件。
TPA是二阶段小鼠皮肤癌诱发试验中的典型促癌剂，在体外多种细胞系统中有促癌作用。苯巴比妥对大鼠或小鼠的肝癌发生有促癌作用。色氨酸及其代谢产物和糖精对膀胱癌也有促癌作用。近年来广泛使用丁基羟甲苯(butylated hydroxy-toluene, BHT)作为诱发小鼠肺肿瘤的促癌剂，对肝细胞腺瘤和膀胱癌也有促癌作用。DDT、多卤联苯、氯丹、TCDD是肝癌促进剂。
值得注意地是, 可能是由于对代谢酶的诱导作用，解毒过程特别是结合反应增强，有些促癌剂当与启动剂同时摄入时, 则可能减少肿瘤发生，如苯巴比妥、DDT和BHT等。但发现它们起助癌剂的作用。
（2）细胞毒物 最老的理论认为慢性刺激可以致癌，目前认为导致细胞死亡的物质可引起代偿性增生，以致发生肿瘤。其确切机理尚不清楚，但可能涉及机体对环境有害因素致癌作用的易感性增高。一些氯代烃类促癌剂作用机理可能与细胞毒性作用有关。
氮川三乙酸（nitrilotriacetic acid, NTA）可致大鼠和小鼠肾癌和膀胱癌，初步发现其作用机理是将血液中的锌带入肾小管超滤液，并被肾小管上皮重吸收。由于锌对这些细胞具有毒性，可造成损伤并导致细胞死亡，结果是引起增生和肾肿瘤形成。 在尿液中NTA还与钙络合，使钙由肾盂和膀胱的移行上皮渗出，以致刺激细胞增殖，并形成肿瘤。
（3）激素 40年前就发现雌性激素可引起动物肿瘤。以后发现多数干扰内分泌器官功能的物质可使这些器官的肿瘤增多。雌激素的致癌机理尚不清楚，但很可能与促癌作用有关；一般认为需要长期在体内维持高水平激素才能在内分泌敏感器官中诱发肿瘤。
孕妇使用人工合成的雌激素（已烯雌酚，DES）保胎时，可能使青春期女子发生阴道透明细胞癌。其机理相当复杂。
（4）免疫抑制剂 免疫抑制过程从多方面影响肿瘤形成。硫唑嘌呤、6-巯基嘌呤等免疫抑制剂或免疫血清均能使动物和人发生白血病或淋巴瘤，但很少发生实体肿瘤。环孢素A是近年器官移植中使用的免疫抑制剂，曾认为不致癌。但现已查明，使用过该药患者的淋巴瘤的发生率增高。
（5）固态物质 啮齿动物皮下包埋塑料后，经过较长的潜伏期，可导致肉瘤形成。其化学成分并不重要，只要是薄片，即使是金属也和各种塑料同样可导致肿瘤形成。关键是大小和形状，而且光滑者比粗糙者更有效，有孔的比无孔的效果差。其作用机理可能是固态物质可对上皮成纤维细胞增殖提供基底。石棉和其他矿物粉尘，如铀矿或赤铁矿粉尘，可增强吸烟致肺癌的作用。
（6）过氧化物酶体增生剂 具有使啮齿动物肝脏中的过氧化物酶体增生的各种物质都可诱发肝肿瘤。已发现的过氧化物酶体增生剂有, 降血脂药物安妥明(对氯苯氧异丁酸乙酯 Clofribate)、降脂异丙酯(fenofibrate)、 gemfibrate、哌磺氯苯酸(tibric acid)、增塑剂二-(2-乙基己基)苯二甲酸酯和有机溶剂1,l,2-三氯乙烯。安妥明和二(2-乙基巴基)苯二甲酸酯对肝肿瘤有促进作用，但不能以促癌作用来概括这类物质的致癌机理。目前认为，肝过氧化物酶体及H202增多，可导致活性氧增多，发生信号转导作用，造成 DNA损伤并启动致癌过程。
3、暂未确定遗传毒性的致癌物 前已述及某些卤代烃类为遗传毒性致癌剂，另一些为促癌剂。还有一些则致癌方式尚未完全阐明，例如四氯化碳、氯仿、某些多氯烷烃和烯烃等。这些物质在致突变试验中为阴性或可疑，体内和体外研究又未显示出能转化为活性亲电子性代谢产物。硫脲、硫乙酰胺、硫脲嘧啶和相似的硫酰胺类都有致癌性。靶器官是甲状腺，有时可为肝脏。噻吡二胺(methapyrine)这种抗组织胺药物曾在美国广泛用作催眠药，后来发现能诱发大鼠肝癌。
此外，有些学者和研究机构还将致癌物分为确认致癌物(proved carcinogen)、可疑致癌物(suspected carcinogen)、潜在致癌物(potential carcinogen)。此外还有按化学结构分类，如烷化类、多环芳烃类、亚硝胺类、植物毒素类和金属类等。
第三节 环境有害因素的致癌过程
一、化学致癌物的特征
多数致癌物具有遗传毒性，它们有一共同的特点，即皆为亲电子剂(electrophilic reagent)，即分子结构中有正碳原子等亲电子基团的一类化合物。而细胞中的大分子化合物都具有亲核基团(nucleophilic group)，即富含电子的部位，易与细胞大分子的亲核中心共价结合。DNA、RNA和蛋白质等大分子化合物的亲核基团就是致癌物的结合位置。
二、其它致癌因素的特点
除外源化学物外其它致癌的因素也有许多，有物理因素，如辐射、创伤等；生物因素如病毒等。目前已证实有许多环境有害因素与肿瘤有关。
1、物理因素 括包电离辐射、紫外线、热辐射、异物（纤维状异物），此外，慢性刺激与创伤亦可能与促癌有关。
（1）电离辐射 指X、γ射线、和带亚原子微粒(β粒子、质子、中子或α粒子)辐射。大量实验证明，长期接触放射性同位素的人，其皮肤癌或白血病的发病率显著高于常人。其它如甲状腺癌、肺癌和乳腺癌也非常高。辐射的致癌机理目前还未取得一致意见，有人认为是直接损伤了DNA螺旋，使其解螺旋或使单链、双链断裂影响复制，造成突变，亦有认为是基因表达失调，还有认为是辐射只是活化了致癌病毒或化学物所致。
（2）紫外线 动物试验或临床观察证实，紫外线可引起皮肤鳞状细胞癌、基底细胞癌和恶性黑色素瘤。其作用机理可能是细胞内DNA吸收了光子，使相邻两个胸腺嘧啶形成二聚体，防碍了DNA的复制，故发生突变。
（3）热辐射 我国西部地区居民“炕癌”发病率很高，可能与当地居民冬季常用火炕取暖，对臀部皮肤长期进行热辐射所致，有人将皮肤烧伤后进行干蒸馏，发现有致癌物多环碳氢化合物，说明热辐射与癌变有关。
（4）纤维状异物 与致癌有关的主要是石棉纤维，易引起肺癌或胸膜间皮瘤。其机械刺激作用占重要地位，但有人已证明，它也可以释放二氧化硅发挥毒性作用，因此不能完全排除其化学作用。
（5）慢性刺激 肿瘤在细胞增生的基础上发生, 而慢性刺激可促进细胞增生, 在溃疡、炎症、结石的基础上常会发生癌变，致癌机理可能与此有关 。
（6）创伤 许多癌变如脑瘤、骨肉瘤常述有创伤史。有些学者也证明，小鼠子宫人工创伤后可促进化学致癌物的致癌作用。但对单独局部创伤不能致癌的情况来看，其只能起促癌作用。
（7）其它 近年电磁辐射损伤问题颇受重视。有人认为，长期接触电磁辐射如微波、次声等也可促进肿瘤发生率增高。
2、生物因素
（1）病毒 自1908年Ellerman 和Bang证明鸡的白血病由无细胞滤液诱发的事实后，近百年来，病毒致瘤的研究已成为一个十分活跃的领域。目前，已知动物肿瘤病毒有1/3为DNA病毒，2/3为RNA病毒。DNA病毒的致癌机理是病毒进入宿主后，其DNA整合到细胞DNA中去，导致细胞恶性转化。但如何使细胞转化尚未明确，有人认为可能是使细胞遗传性状发生改变，使细胞代谢和调节功能紊乱所致，亦有人认为病毒基因靠近与细胞生长分化有关键作用的基因，启动细胞的恶性转化。近年有人认为病毒DNA的编码产物---转化蛋白可与细胞膜或其核DNA结合，改变细胞调节从而导致转化。而RNA病毒，则通过逆转录合成DNA并将其整合到细胞DNA上去，在通过上述过程使细胞恶性转化。人类肿瘤的病毒的研究也有了很大发展，近年，人们发现了人类T细胞白血病/淋巴瘤的相关病毒-T细胞白血病/淋巴瘤病毒（HTLV），它属于RNA病毒，是唯一从人体肿瘤中分离RNA病毒。这可能成为人们研究RNA肿瘤病毒的一个突破口。
（2）寄生虫 在我国的日本血吸虫病流行地区有10.8-16.9%的结肠癌患者同时伴有血吸虫病，并在这些结肠癌组织中发现了陈旧血吸虫卵，附近粘膜有时发现有息肉。其机理可能是虫体和虫卵的生物作用，或是其分泌物的化学作用，亦或是两者协同，目前尚待进一步研究。
三、致癌作用的阶段性
给予致癌物至出现肿瘤的过程中有明显的多阶段性。最简单的多阶段致癌过程为两阶段论。这是40年代研究化学物诱发皮肤癌时提出的，认为化学致癌过程可分为启动阶段（initiating stage)和促癌阶段（promoting stage)。其实验证据是用苯并（a)芘、二甲苯并(a)蒽和二苯并(a,h)蒽这三种强致癌物，分别以亚致癌剂量涂抹小鼠皮肤一次，20周后不发生肿瘤或很少发生。但如在相同剂量致癌物使用后再用通常不致癌的巴豆油涂抹同一部位(每周2次，共20周)，则分别有37.5%、58.0％和29.5%发生皮肤癌, 但是单独使用或在给予致癌物之前使用巴豆油都不引起肿瘤形成。因此认为，前面给予的致癌物所引起的作用是启动作用(initiation)，这些物质称为启动剂(initiator)；而巴豆油则具有促癌作用(promotion)，称为促癌剂(tumor promotor)或促进剂。启动剂使用后相隔数月甚至一年多使用促癌剂, 仍能引起肿瘤形成。根据一系列试验结果, 认为启动作用是不可逆的。适时停用促癌剂或使用的间隔时间过长, 都不引起肿瘤形成，因而认为促癌作用是可逆的。巴豆油的有效成份是大戟二萜酸酯(phorbo ester)又称佛波酯。这是一类双环酯，其促癌活性大小不一，活性最高的是12-0-十四烷酰大戟二萜醇-13-乙酯(TPA或称PMA)。
启动剂对细胞的作用是致突变作用，为不可逆过程。促癌剂的作用比较复杂，对促癌剂的认识只要来源于TPA的研究。目前认为，促癌剂作用于细胞膜，与细胞膜的蛋白激酶受体发生可逆的结合，产生多种效应性。其中最重要的效应是抑制细胞间通讯(cellular communication)，解除细胞生长的接触抑制，启动细胞增殖程序, 因而失控。有些致癌物当剂量足够时，既有启动作用又具有促癌作用, 称为完全致癌物(complete carcinogen)。许多肿瘤都有随时间的推移而恶性程度增高的倾向。有些人类肿瘤呈现规律性地由良性组织向非侵犯性的恶性前病变（如宫颈癌）发展,并一直进展至明确的恶性变。因此, 称这种由良性向恶性逐渐转变的过程为进展（progression)过程。
70年代中期, 有人提出了细胞恶变模型，即为已启动的细胞在进展过程中经过多次突变。突变细胞出现多种亚克隆，其中具有更大的自主性和生长优势的亚克隆能够在肿瘤细胞群体中占主要地位，从而进展为恶性肿瘤。
80年代把进展作为肿瘤发展过程的第三个阶段，即肿瘤的发生和发展是经过启动、促癌和进展三个阶段。其中启动和进展都涉及突变。有人用动物实验的启动一促癌一启动模型来模拟这一过程。在这实验模型中, 当动物接触一次剂量启动剂二甲苯并蒽即可诱发少数良性皮肤肿瘤，如随后再接触TPA促癌剂，则良性肿瘤数可增多。如在促癌阶段之后再次接触启动剂，则可出现恶性肿瘤，而且随着接触启动剂时间的延长，作用次数均加，恶性肿瘤数亦将增多，良性肿瘤的恶性转化率增高。在进展阶段起作用的物质称为进展剂（Progressor)，它们常常也是启动剂或完全致癌物。
四、多阶段致癌过程中的遗传学改变
通常把致癌过程中的引发作用看作是一次突变事件，这个结论得到大鼠乳腺癌，小鼠皮肤乳头状瘤及小鼠肝癌中ras原癌基因突变等结果的支持，促进阶段是突变后由单克隆的引发细胞发展为肿瘤细胞的过程，通常有一起始损伤，这个过程涉及选择性的影响引发细胞增殖的某些非遗传学的改变，此阶段是否涉及遗传机制尚不清楚。但有研究结果表明，其中有一类作用依赖于促癌物的存在，在细胞转化中起促进作用的基因，称为促癌作用敏感基因(promotion sensitivity gene)或促癌基因。促癌基因可以将对促癌物(TPA)的敏感性传递给原先不敏感的细胞，结果导致良性肿瘤和癌前细胞灶, 在演进为恶性肿瘤过程中经历一种或多种遗传学改变。因此，良性肿瘤演化为恶性肿瘤的进展阶段，是致癌过程中明显区别于促进作用的另一个阶段。具有转移性是恶性肿瘤区别于良性肿瘤的主要特征,近年来有人认为，肿瘤细胞地转移也涉及一个转移基因(metastatic gene)和转移抑制基因(metastasis suppressor gene)遗传学改变的阶段。
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表7-1化学致癌过程中启动、促癌和进展三个阶段的生物学特性
启 动 促 癌 进 展
1. 启动了的细胞具有不可逆 1. 可逆性增加了启动细胞群 1. 不可逆的明显细胞基因
性，有稳定的干细胞倾向 体后代的复制 组改变
2. DNA损伤必需细胞分裂 2. 基因表达可逆性改变 2. 演变出核型的不稳定性
以“固定”
3. 剂量反应关系不呈现可测 3. 已进入促进阶段的细胞 3. 相对自主的恶性肿瘤细
出的阈值 群体的存在决定于促癌 胞形成
剂的持续摄入
4. 存在自发的启动细胞 4. 剂量反应关系是否呈现 4. 由进展剂或完全致癌物
可测出的阈值和最大效 诱发
果决定于启动剂的剂量
5. 启动剂相对效果决定于必 5. 促癌剂的相对效果决定 5. 促癌阶段中的细胞可自
要时间促进之后的病变量 于恒定接触以引起启动 发进展
细胞群体后代增殖的能力
6. 效果易受外源物的影响 6. 效果易受食物和激素影响
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1、遗传学改变 致癌物引起细胞的遗传学改变包括基因突变、基因扩增、染色体重排和非整倍性。已经观察到点突变和染色体重排在某些肿瘤中使原癌基因(prooncogene)激活和肿瘤抑制基因(tumour suppressor)失活；同样也观察到基因扩增和染色体数目改变对许多不同肿瘤是重要的。一般认为, 化学物通过诱发基因突变或染色体突变(如缺失、插入、易位、扩增和数目改变)，导致某一关键靶基因的可遗传改变对肿瘤的形成是必需的。在环境有害因素作用下，部分原癌基因结构发生改变, 引起异常激活成为癌基因(oncogenes)。已发现的癌基因有100多种。虽然它们的功能各不相同，但大体上可归纳为生长因子、生长因子受体、信号转导物、蛋白激酶和转录激活物等几大家族。肿瘤抑制基因，也称抑癌基因或抗癌基因(anti-oncogen)，是细胞内一类能对抗肿瘤作用的基因。巳发现的有十几种。抑癌甚因能够阻断肿瘤的细胞生长，往往在细胞癌变或恶性变的同时自身失活或丢失，但在化学物诱导的肿瘤中极少能够观察到。主要原因是涉及动物肿瘤发展的抑癌基因尚不清楚，有待进一步研究阐明。一般认为肿瘤的发生是癌基因和抑癌基因改变积累的结果。
致癌物可直接诱发关键靶基因的遗传损伤，如DNA加成物；也可间接诱发遗传损伤，如纺锤体功能的干扰或活性氧自由基的生成，过氧化物酶体的过量增殖等。
2、非遗传学的改变 尽管突变等遗传学改变是致癌作用中的重要机制，但不是唯一机制。有致癌物用常用致突变试验方法不能检出其致突变性，因此推测非遗传学改变在肿瘤生成中也可能起重要作用。
在引发作用中，细胞增殖是DNA加成物转变为永久性突变过程的一个必要步骤。细胞复制会增强突变剂的效率。遗传性毒物处在引起细胞增殖剂量时，致突变和致癌物效力增加。
一般队为细胞增殖可以通过多种机制影响致癌作用。诱发与致癌过程有关的细胞增殖的机制主要有两种，即再生细胞增殖和有丝分裂剂引起细胞增殖。再生细胞增殖是指某些因素导致细胞死亡的事件继之出现地再生增殖。在某些再生增殖情况下，由于癌前损伤的细胞比正常细胞更能耐受毒性效应，癌细胞可优先生长增殖。有丝分裂剂引起的细胞增殖是指某些化学物能直接诱导细胞增殖，并且常有组织特异性。癌前细胞灶优先生长，细胞数和细胞周期的增加，可能增加了发生进一步突变事件的可能性。除细胞增殖外，非遗传学改变还有基因表达的改变如DNA甲基化等。
五、致癌作用的某些生物学特征
1、致癌作用依赖于剂量 大剂量的致癌因素可增加肿瘤发生，缩短潜伏期。肿瘤的产生取决于化学致癌物和环境有害因素的总剂量。动物同时暴露于几种致癌物，对靶器官有协同或相加作用，但也可能起拮抗作用。
2、致癌作用的表达需要时间 无论致癌因素或的剂量和性质如何，在肿瘤形成前，总有一个最低限度的潜伏期。在细胞恶变以前，细胞存在着多阶段的癌前期变化，也需要一定时间才能恶变。
3、致癌作用的癌变细胞传代 多数化学诱变剂能与DNA等大分子共价结合。人和动物的肿瘤常起源于单个细胞(单克隆)。暴露于小剂量化学致癌物的细胞，经过数代相传，仍存在着恶性变的的危险。
4、致癌物可被非致癌因子所修饰 有些物质可通过改变化学致癌物的摄入、分布、代谢或通过靶组织的敏感性，增强致癌作用。促癌物能加速肿瘤前期的进程，诱导恶性表型的表达，并可使致癌物所改变的细胞克隆扩增。同样，抗癌物能在细胞癌变的不同阶段抑制致癌作用。营养因素可改变酶对致癌物的活化或解毒的有效性等。
5、细胞增生是细胞癌变过程的重要阶段 细胞暴露于环境致癌因素，逐渐发生增生性变化，使细胞恶性转化变得持久并可遗传。增生的组织和细胞对致癌物比较敏感，若能抑制癌变过程中的增生性变化，或是诱导细胞凋亡，也能阻止肿瘤形成。
第四节 致癌性的评价方法
化学物质致癌危险的全面评价包括两个方面：一是定性的，即该化学物质能否致癌，二是定量的，即进行剂量反应关系分析，以推算可接受的剂量，确定人体实际可能接触剂量下的危险度。
一、致癌物的检测方法
1、构效关系分析 致癌物的化学结构种类繁多而复杂。构效关系分析多从一种同系物着手，找出该系物质化学结构中与致癌性关系最密切的结构成份，以及其它结构成份改变时所产生的影响。构效关系分析结果可靠性的关键在于样本含量，不仅要分析的同系物的总数要充分，而且其中各种类型结构变化的数目也要足够。除此，要进行动物试验和流行病学调查才能作出最后结论。
2、短期致癌物筛选试验 通过以致突变试验作为致癌物筛检。致突变试验仅能检测某种因素地致突变性。筛检试验为阳性的受试物，既可能是具有遗传毒性的致癌物，也可能是具有遗传毒性的非致癌物，也不能完全排除致癌性。
(1)试验组合 按照目前对致癌机理的认识，遗传毒性致癌物可能具有多种致癌机理。因此，要求试验组合中尽可能反映较多的遗传学终点。遗传学终点相同的试验往往不能提供更多的信息，在遗传学终点相同的各种试验中应优先选择体内试验。
(2)筛检试验的可靠性 在致癌物的快速筛检中，各种致突变试验可靠性的验证，常用一定数量的已知致癌物和巳知非致癌物同时进行测定，并以灵敏度和专一性两个指标来衡量其可靠性。灵敏度亦称阳性符合率，即在试验中已知致癌物呈现阳性结果的比例。专一性亦称阴性符合率，是在试验中已知非致癌物呈现阴性结果的比例。对同一遗传学终点的几种体内试验应选择其中灵敏度和特异性好的一种。
(3)预期致癌性概率 在一个试验获得阳性结果其预期致癌性概率不等于灵敏度的数值。因为灵敏度只能引伸为任选一种致癌物, 在该试验中出现阳性的概率。同理，当获得阴性结果的预期非致癌性概率也不等于专一性。在试验中使用同一遗传学终点如已进行两个试验，则以反应阳性的为准。在不同终点的试验中，阳性结果愈多，则致癌性概率应愈高。预期致癌性概率有多种专门的推算方法，本教材不作介绍。
(4)存在问题 目前常用的致突变试验还不能可靠地检测出：①非整倍性或重组所导致的隐性癌基因的纯合子或半合子；②可使癌基因截短的重组；③能活化原癌基因的基因扩增；④线粒体DNA突变。这些单独或组合的改变可能是致癌机理之一，因此改进或建立新的致突变试验，适应对致癌物进行筛检的需要，具有重要实际意义。
3、恶性转化试验 恶性转化试验又称细胞转化试验，与淋巴细胞转化试验有别。细胞转化是指对培养细胞诱发与肿瘤形成有关的表型改变。此种表型改变是因致癌物所致核型改变的结果，其改变包括细胞形态、细胞生长能力、生化表型等变化，以及移植于动物体内形成肿瘤的能力。进行恶性转化试验的目的在于揭示体外培养细胞接触受试物后，细胞生长自控能力的丧失的某些机理。生长自控能力表现为接触抑制，在液体培养基中的细胞贴壁后，正常克隆为单层且排列有序的细胞；而转化克隆为多层且排列紊乱。恶性转化细胞偏大且大小不等、核大而畸形、染色质深染而粗糙、核浆比例倒置、核膜粗厚、核仁增生而肥大。核仁和胞浆均由于RNA增多而偏酸性，故呈嗜碱性染色而偏蓝，核分裂多见。
目前恶性转化试验可按所用的细胞分为三类：
(1)原代或早代细胞 常用叙利亚仓鼠胚胎细胞(SHE细胞)、人类成纤维细胞、小鼠皮肤或大鼠支气管上皮细胞等。
(2)细胞系 常用 BALB／C-3T3、C3H10T1／2和BHK-21。
(3)病毒感染细胞 常用RLV／RE细胞即劳舍尔氏白血病病毒感染的Fisher大鼠胚胎细胞和SA7/SHE细胞即猿猴腺病毒感染的SHE细胞。
本试验的观察终点是细胞的恶性变，如将此种细胞移植于动物体内可形成肿瘤。因此，其可靠性超过致突变试验，但仍存在假阳性和假阴性问题。
4、哺乳动物长期致癌试验 哺乳动物长期致癌试验亦称哺乳动物终生试验，是目前公认的确证动物致癌物的经典方法，较为可靠。用此法评定化学致癌性有许多优点。因为化学致癌的一个最大特点是潜伏期长，在啮齿动物进行1～2年的试验即相当于人类大半生的时间。而如果采用流行病学调查方法来确证一种新化学物是否为致癌物，一般需要人类接触受试物20年后才能进行。此外，动物试验能严格控制实验条件，而流行病学调查不易排除混杂因素的影响。
(1)动物选择 在致癌试验中, 选择动物最重要的是对诱发肿瘤的易感性。除考虑物种、品系、年龄和性别、自发肿瘤率较低外，选择具有特定靶器官的物种尤为重要；小鼠对肝肿瘤的易感性与大鼠相近，但肝癌自发率较高，易患各种肝脏疾病。新生动物比年龄稍大者对致癌和一般毒性敏感，但易患其它感染疾病，死亡率较高。
实际工作中多使用断乳或断乳不久的动物,一般是雌雄各半。除非已证明该受试物结构近似的致癌物有易感性性别差异，才选择易感的性别。
(2)动物数量 致癌作用是严重损害健康的一种效应，因此试验中应尽量设法避免假阴性结果，所以每组动物数应较一般毒性试验为多。如对照组肿瘤自发率越高，而染毒组肿瘤发生率越低，则所需动物数越多。
(3)剂量设计 为观察到剂量反应关系一般使用三个剂量，最少两个剂量。较低剂量为前一级较高剂量的1/3至1/4，最低剂量最好相当于或低于人类实际可能接触的剂量。最高剂量应尽可能加大，但又不致死，这样才不致于漏检致癌物。美国国家癌症研究所推荐的最高剂量应为最大耐受剂量（MTD）。理想的MTD非但不应致死，也应不缩短寿命，与对照组相比，体重下降不大于10%。 因此，必须通过预试来设计一个估计的最大耐受量（EMTD）。根据急性试验的LD50或LD01，设计14天亚急性试验，以确定亚急性MTD；之后再设计90天的亚慢性试验，确定亚慢性MTD，然后选择稍低剂量作为终生试验的EMTD。
(4)实验期限与染毒时间 原则上实验期限要求长期或终生。所谓长期，因不同物种寿命长短不一，观察时间要求不同。一般值况下小鼠最少1.5年，大鼠2年；可能时分别延长至2年和2.5年。一般主张染毒直至试验结束。
(5)结果的观察、分析和评定 实验过程中每天密切观察动物1～2次，及时发现濒死动物并进行病理学解剖。发现第一例肿瘤时存活的动物数，作为试验终结时的有效动物数，各种分析指标都以此为基数计算。当然有效动物应符合试验设计要求。体表及体内各组织器官均应肉眼观察，找出可疑肿块，并进行组织病理学检查。主要分析指标如下：
A．肿瘤发生率 肿瘤发生率是最重要的指标，需要计算肿瘤总发生率、恶性肿瘤总发生率、各器官或组织肿瘤发生率和恶性肿瘤发生率，以及各种类型肿瘤发生率。
B．多发性 多发性是指一个动物出现多个肿瘤或一个器官出现多个肿瘤。一般计算每一组的平均肿瘤数。有时还可计算每一组中出现2个、3个或多个肿瘤的动物数或比例。肿瘤的多发性是化学致癌的又一特征。
C．潜伏期 从接触致癌物到用各组出现第一个肿瘤的时间作为该组的潜伏期。这种办法只适用于能在体表观察的肿瘤，如皮肤肿瘤或乳腺肿瘤。对于内脏肿瘤的潜伏期，则需分批剖杀，计算平均潜伏期。
分析以上三种指标时应首先注意有无剂量-反应关系。染毒组应与对照组作显著性检验(单侧)。存在剂量-反应关系并与对照组差异显著时，判定为阳性结果。如染毒组发生的肿瘤类型在对照组未出现，也作为阳性结果，但此时的对照组应当有历史对照资料。
阳性结果的评定应当慎重。在较高剂量才与对照组间出现显著差异，不如在较低剂量下或在人类可能实际接触的剂量出现显著差异的意义重大。
(6)阴性结果的确定 要使长期动物致癌试验的阴性结果得到承认，一般应满足试验设计的最低要求：两个物种、两种性别、至少三个剂量水平且其中一个接近MTD、每组有效动物数至少50只。如将动物数增至每组100只，则假阴性概率可下降，继续增加每组动物数，可进一步降低假阴性概率。因此，即使符合最低要求得到阴性结果时，特别是当存在一定的剂量反应关系时，阴性结果不一定说明该受试物不致癌，仅能表明，该受试物在该特定染毒剂量下不引起肿瘤净增率超过染毒组的肿瘤净增率。
5、哺乳动物短期致癌试验 又称有限动物试验(limited in vivo biossay)，即指在有限的短时间内完成而不是终生，并且观察的靶器官限定为一个而不是全部器官和组织的哺乳动物致癌试验。国内外目前较受重视的哺乳动物短期致癌试验有四种：小鼠肺肿瘤诱发试验、雌性SD大鼠乳腺癌诱发试验、大鼠肝转变灶(altared focus)试验和小鼠皮肤肿瘤诱发试验。由于肺和肝是最常见的发生肿瘤器官，也是许多致癌物的靶器官。至于小鼠皮肤肿瘤与SD大鼠乳腺癌两种试验，仅适用于部分类型的化学物质。
进行这些试验时，除特定要求外，应遵从长期动物致癌试验的一般要求。上述任一试验的阳性结果，其意义与长期动物致癌试验相当。由于实验期短，又未检查其它器官和系统，特别是皮肤肿瘤和乳腺癌的诱发试验似乎仅适用于较小范围的化学物质类型，所以哺乳动物短期致癌试验阴性结果的意义较差。
6、促癌剂的检测 在哺乳动物长期致癌试验中，有时检出的是促癌剂，但在该试验中不能与其它类型的致癌物相区分。前述哺乳动物短期致癌试验的4种方法中，除大鼠乳腺癌诱发试验外，其余3种都适用于促癌剂的检测。具体方法是选用适当的启动剂，启动后l～2周开始用受试物染毒。对于启动剂，在小鼠皮肤肿瘤后诱发试验中可用多环芳烃类，在小鼠肺肿瘤诱发试验中可用氨基甲酸乙酯；在大鼠肝转变灶诱发试验中可用二甲苯并蒽，启动剂的剂量应较低，单独使用时不应引起或仅引起很少肿瘤形成。
由于不少促癌剂可能存在器官特异性，所以有时难于在三种试验中作出正确的选择。从这个角度看，体外试验也许更好，因为此时受试物直接与细胞接触，而不会表现出亲器官的特性。有两个试验稍加更改即可被应用，即恶性转化试验和哺乳动物细胞正向突变试验。
二、肿瘤流行病学调查
肿瘤只有分析性流行病学调查是确定人类致癌物主要的手段之一。进行分析流行病学调查时，一般是先通过动物肿瘤诱发试验，根据阳性结果检出潜在的人类致癌物，或先进行描述性流行病学调查或临床观察发现怀疑某种人类致癌物后才进行。可按不同情况酌情选用定群调查(或称队列调查)和病例对照调查。在两种调查中都可利用肿瘤患者的资料，对接触与不接触受试物人员的发瘤年龄和死于肿瘤年龄进行分析比较。
肿瘤流行病学调查的结果为阳性时，并且能够重复，即另一同样调查也得出阳性结果并有剂量-反应关系，又可得到动物实验的验证，则其意义较大。该受试物较易被承认为人类致癌物。肿瘤流行病学调查结果如为阴性, 也不能完全确定受试物为非致癌物，仅能认为本观察到致癌作用的接触条件(剂量和时间)的上限。因此，当接触年限较短或剂量较低时，流行病学调查的阴性结果不能否定对同一受试物进行另一凋查的阳性结果。任何肿瘤流行病学调查，必须设计周密严谨，否则无论阳性结果或阴性结果的意义均将大为降低。
三、致癌物的最终确定和评价
1、致癌物的最终确定 对于外源化学物化学结构的分析或致突变性测试，仅能达到确定何种受试物应优先进行动物致癌试验，其结果并不能作为受试物是否具有致癌作用的依据。
由于通过动物致癌试验确定的致癌物，迄今只有极少数量（约34种）经过肿瘤流行病学调查证实并在国际上得到公认为对人类致癌。所以确定致癌物时应分为人类致癌物和动物致癌物。将有充分证据证实对动物致突变的外源化学物称为潜在致癌物（potential carcinogen）。确定人类致癌物主要根据：①流行病学调查结果能够重复；②有剂量反应关系；③有动物致癌试验阳性结果支持。
对于动物致癌物的确定, 各国认识不甚一致，甚至一个国家中的不同机构也有不同的认识。国际抗癌联盟(IARC)对动物致癌物的概念较为严格，要求：①在多种或多品系动物试验中，或在几个不同实验中，特别是不同剂量或不同染毒途径的实验中见到恶性肿瘤发生率增高；或②在肿瘤发生率、出现肿瘤的部位、肿瘤类型或出现肿瘤的年龄提前等各方面极为明显突出，才能确定为动物致癌物。
2、致癌危险的定量评价 目前认为, 一般毒性肯定有阈值, 但致癌物特别是遗传毒性致癌物是否有阈值，至今尚未统一认识。在毒理学实验中，使用较敏感的观察指标或易感动物可降低阈剂量，增加动物数量也降低阈剂量。主张化学致癌有阈值者则指出：①电离辐射穿透机体完全按照物理学法则，而化学致癌物进入机体必需经过吸收、分布、生物转化、排泄等过程的影响，才能达到靶器官击中细胞内的DNA；②对DNA化学损伤的修复机理足以排除一定剂量造成的损伤；③化学致癌是一个多阶段过程，任一阶段受阻都可能中止肿瘤形成过程。化学致癌还需要多次突变，而一个遗传毒性致癌物分子不可能产生多次突变；④致癌物剂量愈低，潜伏期愈长。当剂量降低至一定程度，潜伏期即有可能超过接触群体每一个体的寿命，于是不可能有癌出现。
1977年美国FDA(食品与药品管理局)提出肿瘤诱发率为10-6的剂量为实际安全剂量(virtued safe dos，VSD）。要确定这样一个低诱癌率的剂量需要每组动物数达到3～5 x106只，这绝对难于完成。因此多利用数学模型进行VSD推算。
所用数学模型可分为三种类型：①根据剂量反应关系的频数分布建立的模型。如概率单位模型。②模拟致癌机理建立的模型。如单发击中线性模型、多发击中模型、分阶段模型和直线化多阶段模型。③根据发癌潜伏期建立的模型。
实验所得的剂量反应关系数据与VSD相比是高发癌范围的资料，与上述任一模型拟合都会得到很好的拟合优度。但是目前的情况是, 推算VSD时，实际上不依据拟合优度来选数学模型，而是由研究人员任意选择。但不同数学模型推算的VSD可相差甚远，因此，需要研究更合理的教学模型, 真实反应致癌的剂量-效应关系和致癌物是否存在阈值。
