前列腺癌中的膳食致癌物和 DNA 加合物

2022
05/08

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医学镜界
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这些研究可以改善公共卫生研究、营养教育和化学预防策略。前列腺中化学暴露和 DNA 损伤的特定生物标志物可以提供前列腺中致癌物质的证据。

前列腺癌中的膳食致癌物和 DNA 加合物

前列腺癌 (PC) 是最常被诊断出的非皮肤癌,也是导致男性死亡的第二大癌症原因。PC 的主要风险因素是年龄、家族史和非裔美国人种族。流行病学研究报告了 PC 发病率和死亡率的巨大地理差异,因此生活方式和饮食因素会影响 PC 风险。高脂肪饮食、乳制品、酒精和红肉被认为是 PC 的危险因素。本书章节对饮食因素及其前列腺癌发生的分子机制进行了全面的、基于文献的回顾。我们的大部分知识基于流行病学研究,其中饮食因素如癌症促进剂,包括高脂肪、乳制品、酒精、熟肉中形成的致癌基因毒物已被评估为 PC 风险。然而,PC 发展病因的确切机制仍不确定。需要更多的基于动物和人类细胞的研究来进一步了解 PC 病因学中涉及的风险因素。前列腺中化学暴露和 DNA 损伤的特定生物标志物可以提供前列腺中致癌物质的证据。总的来说,这些研究可以改善公共卫生研究、营养教育和化学预防策略。前列腺中化学暴露和 DNA 损伤的特定生物标志物可以提供前列腺中致癌物质的证据。

介绍

世界卫生组织 (WHO) 报告称,前列腺癌 (PC) 是全球男性中第二常见的癌症,2012 年估计有 110 万例新发病例和 30 万例死亡。PC在经济发达国家更常见,这可能归因于更广泛的PC筛查计划。确定为 PC 的主要风险因素包括衰老、家族史和种族,与白种人相比,非裔美国男性的风险高出两倍。PC 的发生在世界范围内差异很大。许多关于移民人口的研究表明,来自世界上 PC 患病率低的地区的移民在迁移到 PC 高风险国家后,PC 的发病率和死亡率显着增加,这表明环境或饮食因素会影响 PC 的发病率和死亡率。 PC 发展的风险因素。频繁食用高脂肪饮食、乳制品、红肉和酒精被认为是 PC的危险因素。然而,饮食因素和特定化学物质在饮食中的确切作用以及参与这种恶性肿瘤发展的机制仍不清楚。

饮食是人类 PC 的危险因素

高脂肪饮食

膳食脂肪和几种脂肪酸饮食作为危险因素,人类 PC 被认为在 PC 病因和肿瘤进展中发挥作用,尽管流行病学研究的结果不一致。一些研究发现脂肪消耗、 PC 发病率和死亡率之间存在很强的正相关关系,而其他调查未发现相关性。 在动物模型和体外进行的几项体内研究表明,高脂肪饮食在 PC 的发展和进展中发挥作用。用从喂食高脂肪西式食物的小鼠获得的脂肪组织调节的组织培养基在体外增强了人前列腺癌细胞的细胞增殖、迁移和侵袭。在转基因小鼠前列腺 (TRAMP) 和异种移植模型中,循环脂肪因子和细胞因子的改变以及由高脂肪饮食诱导的其他因素导致 PC 进展。尽管强有力的证据支持高脂肪饮食对 PC 发展和进展的影响,但高脂肪饮食强调 PC 病因的确切机制仍不确定。提出了几个假设,包括摄入脂肪酸,导致炎症、氧化应激的诱导和细胞信号传导的改变。

脂肪酸

脂肪酸,例如n - 3和n - 6多不饱和脂肪酸,及其代谢物参与了许多影响 PC 发育和进展的途径。例如,n - 6脂肪酸亚油酸和花生四烯酸可增强人前列腺细胞系的增殖。此外,n - 6脂肪酸是类花生酸的前体,可转化为前列腺素 (PG)。n - 6脂肪酸花生四烯酸被环氧合酶(Cox-1和Cox-2)代谢形成前列腺素E2(PGE2。PGE2 是一种短寿命的激素样分子,参与细胞增殖、细胞分化和炎症。值得注意的是,通过用花生四烯酸处理对 PC 细胞的生长刺激与COX2表达的诱导和 PGE2 合成增加有关。在分子水平上,PGE2 与 EP4 和 EP2 受体结合,导致随后激活蛋白激酶 A (PKA) 途径,从而导致早期生长相关反应基因的表达,包括c-fos。花生四烯酸还激活 4,5-二磷酸磷脂酰肌醇 3-激酶信号通路 (PI3K/Akt)。PI3K/Akt 级联参与 PC 的进展和侵袭性。事实上,在长期的雄激素剥夺治疗后,PI3K/Akt 通路会持续激活,这种机制会导致肿瘤细胞对细胞凋亡的抵抗力增加。花生四烯酸在人前列腺细胞中激活 PI3K/Akt 通路也会导致核因子 Kappa Beta (NF-κB) 级联反应的激活。NF-κB 通路的诱导增加了细胞对化学疗法和放射疗法的抵抗力。此外,NF-κB 的激活还能刺激肿瘤细胞生长,抑制细胞凋亡,增强肿瘤侵袭、转移和血管生成(图  1 )  )。 

图1  

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花生四烯酸 (AA) 及其代谢产物前列腺素 E2 (PGE2) 对人前列腺细胞信号传导的影响 

与n - 6多不饱和脂肪酸相比,n - 3长链脂肪酸可防止 PC 发育。例如,在喂食含有高水平二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸的饮食的裸鼠中,PC 异种移植物的生长显着降低。这些效果已得到体外研究的支持,其中二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸均抑制人类 PC 细胞系的增殖。此外,二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸可防止人类前列腺细胞向侵袭性雄激素非依赖性表型发展。在分子水平上,二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸治疗抑制 PI3K/Akt 信号通路并降低雄激素受体 (AR) 的表达,雄激素受体是前列腺细胞增殖和 PC 发育的主要调节因子。

炎症经常发生在老年男性的前列腺中,并且在良性前列腺增生 (BPH) 和 PC 发病率的发展中起关键作用。雄激素水平、遗传倾向、肥胖和高脂肪饮食与 BPH 和 PC 相关 。几项体内研究报告了高脂肪饮食、炎症诱导和 PC 标志物之间的关联。前列腺炎症与细胞增殖和消耗高脂肪饮食的小鼠的前列腺大小增加相关。摄入高脂肪饮食也会提高脂肪组织中的ataxin水平,导致溶血磷脂酸的产生显着增加,溶血磷脂酸可直接作用于前列腺并诱导增生和细胞增殖。 虽然炎症与 PC 发育的增强有关,但对该效应所涉及的机制尚不清楚。几项研究报告了免疫细胞的参与和促炎细胞因子的产生。在临床研究中,BPH 患者的前列腺含有长期活化的巨噬细胞、T 淋巴细胞和 B 淋巴细胞浸润。这些浸润细胞产生细胞因子,包括 IL-2、IFN-γ、IL-6、IL-8、IL-17 和 TGF-β,它们维持慢性免疫反应并通过自分泌或旁分泌诱导持续的前列腺内炎症和纤维肌肉生长效果。这些促炎细胞因子可以调节高脂饮食小鼠的前列腺生长并与促炎细胞因子如 IL-1α、IL-1β、IL-6、IL-17 和 TNF-α的产生相关。这些细胞因子可以通过诱导二级介质如 Cox-2 来诱导前列腺生长。例如,IL-17 用于稳定和增加 Cox-2 的酶活性。值得注意的是,前列腺上皮细胞中 Cox-2 表达的诱导与细胞增殖和凋亡抗性增加有关。此外,体外人前列腺细胞的治疗从含有升高水平的促炎细胞因子的肥胖小鼠获得的血清可促进细胞增殖、侵袭、迁移和上皮-间质转化。

氧化应激

活性氧 (ROS) 的不成比例生成会导致组织损伤、DNA 损伤和翻译后 DNA 修饰,从而导致人类前列腺肿瘤。ROS 由线粒体呼吸链、不受控制的花生四烯酸级联和 NADPH 氧化酶产生。NADPH 氧化酶亚基(如 gp91phox、p47phox 和 p22phox)的表达在喂食高脂肪饮食的小鼠的前列腺中增加。同样值得注意的是,与正常前列腺细胞相比,人类 PC 细胞的 ROS 水平升高。ROS 活性与 NADPH 氧化酶系统的失调相关,这是人类 PC 细胞恶性表型的关键事件。在分子水平上,持续的氧化应激导致两个关键信号通路的激活:信号转导和转录激活因子 (STAT-3) 和 NF-ҡB 通路。两个级联反应的激活导致转录因子的表达,这些转录因子是调节与增殖、存活、血管生成、侵袭和炎症有关的基因所需的(图  2  )。 

图 2  

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促炎细胞因子如 IL-6 和 IL-1 对 STAT-3 和 NF-κB 通路激活和串扰的影响     

高脂肪饮食还导致小鼠许多器官中 NF-ҡB 的激活增加,包括前列腺。在人类中,在前列腺腺癌中存在 NF-ҡB 的组成型激活。此外,这种组成型激活与促生存分子的上调有关,包括 Bcl-2、Bcl-XL 和 Mcl-1。同样,在喂食高脂肪饮食的小鼠的前列腺中,STAT-3 的激活及其 DNA 结合也会增加。在人类 PC 细胞中,STAT-3 的抑制导致细胞增殖的抑制和细胞活力的显着降低。

乳制品

几项流行病学研究报告称,频繁摄入高脂乳制品与患 PC 的风险增加有关;然而,其他研究未能观察到这种关联。高乳脂肪摄入在 PC 风险中的作用得到了体外研究的支持,其中牛奶调节和促进人类前列腺癌细胞系 LNCaP 和 PC-3 的增殖。饱和脂肪摄入、高钙摄入、循环中 1,25-二羟基维生素D(维生素 D 的活性形式)水平降低以及胰岛素样生长因子-1 (IGF-1) 水平升高是几种潜在机制牛奶和乳制品的摄入量可能会影响 PC 的发病率和进展。

饱和脂肪摄入量

饱和脂肪是乳制品中另一个可能影响 PC 发展和侵袭性的因素。摄入较多的低脂牛奶与较高的非侵袭性 PC 风险相关,而摄入全脂牛奶通常与较高的侵袭性 PC 表型发生率相关。

高钙摄入

钙摄入量超过推荐的每日剂量(~1000 毫克/天)与患 PC 的风险增加有关,但也与侵袭性和高度恶性 PC 相关。高钙摄入的潜在机制和 PC 的风险尚未阐明。血液中循环的高水平离子钙过度激活人前列腺细胞中表达的钙敏感受体和钙依赖性电压门控通道是 PC 病因学中涉及的两种潜在机制。细胞外钙对这些受体的刺激增加了体外和体内PC 细胞的增殖、细胞凋亡抗性和转移潜能。

维生素D

几项流行病学研究报告了维生素 D 水平低与 PC 风险较高之间的关联。维生素 D 代谢的调节和 1,25-二羟基维生素 D 水平的降低与 PC 风险增加有关。摄入后,维生素 D 通过两步氧化代谢成具有生物活性的形式 1,25-二羟基维生素 D。CYP2R1 催化的第一次氧化反应发生在肝脏中,导致形成 25-羟基维生素 D,CYP27B1 催化的第二次氧化反应发生在肾脏中,产生 1,25-二羟基维生素D。1,25-二羟基维生素 D 具有通过核维生素 D 受体 (VDR) 途径驱动的抗增殖作用,导致参与细胞周期停滞、细胞凋亡和分化的基因表达。VDR 在正常和癌症前列腺细胞中均有表达。在人类前列腺细胞中,1,25-二羟基维生素 D 产生抗增殖作用,减少氧化应激,并上调促凋亡基因。超过 2000 个基因受 1,25-二羟基维生素 D 的调节,包括编码雄激素代谢的基因。需要更详细的研究来阐明维生素D 在 PC 发育中的关键作用。

IGF-1

IGF系统包括三种配体(胰岛素、IGF-1、IGF-2),它们的受体(胰岛素受体(INSR)、IGF-1受体(IGF-1R)、甘露糖6-磷酸受体(M6P/IGF-2R)和六种循环 IGF 结合蛋白 (IGFBP1-6)。在人类前列腺中,该系统的每个元素都在正常、增生和肿瘤前列腺组织以及原发性和癌细胞系中表达。IGF 系统在前列腺的正常腺体生长和发育中起着至关重要的作用。较高的血清 IGF-1 浓度与 PC 风险增加相关。IGF-I 的生物学功能主要通过 IGF-IR 介导,IGF-IR 是一种酪氨酸激酶跨膜受体,与 IGF-I 的结合亲和力高于 IGF-II。有趣的是,IGF-1R 的抑制与体外雄激素依赖性和非雄激素依赖性生长的减少以及体内肿瘤生长和 PC 细胞侵袭性的抑制有关。相反,IGF-1R 通过其配体 IGF-1 的激活会导致几种信号通路的激活,包括丝裂原活化蛋白激酶 (MAPK) 和 PI3K/Akt。这些信号通路的激活诱导增殖和迁移,并抑制 PC 细胞的凋亡(图3)。 

图 3  

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前列腺癌发生中的胰岛素/IGF信号传导

IGFBPs 提供了一种额外的细胞外机制来调节 IGF 活性。IGFBPs 以高亲和力与 IGF-1 和 IGF-2 结合,从而减少它们与 IGF-R 的结合,从而抑制 IGF 信号通路。在 PC 患者中发现 IGFBP 血浆水平发生改变,IGFBP -3 的降低与 PC 的较高风险和进展有关。IGFBP-3 是血清蛋白酶 PSA 的底物。因此,PC 患者中高水平的 PSA 可能会通过蛋白水解切割导致 IGFBP-3 的循环水平降低,从而导致包括 IGF-1 在内的 IGF 增加,从而促进疾病进展(图 2)。

酒精

酒精消费约占全球所有癌症死亡人数的 5%。在美国,92% 的成年男性自我报告长期饮酒,而高达 3.7% 的癌症死亡总人数与酒精有关。饮酒量增加会导致多种恶性肿瘤,包括口腔癌、咽癌、喉癌、食道癌和两性肝癌以及女性结肠直肠癌。然而,关于饮酒在 PC 风险中的作用的流行病学研究结果并不一致。几项研究发现,饮酒是 PC 的危险因素,而其他研究报告 PC 的风险降低。荟萃分析的汇编也不一致:一些报告发现饮酒与 PC 风险之间没有关联,而其他报告则报告称饮酒会显着增加 PC 风险]。一项荟萃分析报告称,每天饮酒超过 50 克的男性患 PC 的风险增加,而每天饮酒超过 100 克的男性患 PC 的风险略高。其他三项荟萃分析也报告了轻度和中度饮酒(每天一到四杯)的 PC 风险显着增加 或相当于每天最多 24 克酒精。一些研究报告了酒精摄入量与 PC 侵袭性程度之间的关联,但没有其他研究报告。 乙醇是酒精饮料中酒精的主要形式。乙醇被归类为人类致癌物。乙醇的遗传毒性和致癌性被认为是由其主要代谢物乙醛驱动的。乙醛在体外和体外在人体细胞中形成 DNA 加合物。在人类中,饮酒者淋巴细胞中乙醛 DNA 加合物的水平是非饮酒者的 7 倍。

体内研究表明,乙醇可通过涉及黄嘌呤氧化还原酶和细胞色素 P450 2E1 的不同酶途径在大鼠前列腺中有效地生物活化成乙醛。此外,乙醛的形成与前列腺上皮细胞死亡的增加和上皮细胞的超微结构改变有关,包括核周膜周围的染色质浓缩和内质网扩张,这是内质网应激的超微结构标志物。大鼠前列腺缺乏酒精脱氢酶和醛脱氢酶活性,导致乙醛积累,从而增加暴露于乙醇的大鼠前列腺的基因组损伤。慢性乙醇暴露还会导致大鼠腹侧前列腺中的氧化应激和抗氧化防御系统减少。 

大量啤酒摄入会导致 PC 风险与癌症侵袭性相关;虽然在一些但不是所有研究中观察到红酒消费有适度的保护作用。葡萄酒,尤其是红葡萄酒的保护作用可能归因于其高含量的多酚类物质,如类黄酮和白藜芦醇。多酚类化合物具有抗氧化和抗雄激素活性,因此被认为具有抗癌作用。体外, 纳摩尔浓度的多酚在雄激素依赖性 (LNCaP) 和雄激素非依赖性 (DU145 和 PC-3) 人类 PC 细胞系中以剂量和时间依赖性方式抑制细胞生长。用类黄酮(包括儿茶素、表儿茶素和槲皮素)处理 LNCaP 和 PC-3 细胞可抑制细胞增殖,而白藜芦醇是 DU145 细胞生长的最有效抑制剂。提出的多酚抗增殖作用机制是通过调节 NO 的产生。

红肉和加工肉

许多流行病学研究都集中在红肉和加工肉类在 PC 风险中的作用。一些荟萃分析报告称,经常食用肉类会增加 PC 的风险,而其他研究未能发现对 PC 风险的总体影响。据推测,DNA 损伤剂,包括血红素铁、加工肉类中形成的 N-亚硝基化合物 (NOC)、熏肉和火焰下烹调的肉类中形成的多环芳烃 (PAH)和杂环芳胺(HAA) 在熟透的烤肉中形成,会增加 PC 风险。值得注意的是,非洲裔美国男性患 PC 的风险比白种人高约 2 倍。为增加非洲裔美国男性 PC 风险而提出的一种范式是基于他们喜欢经常食用含有 HAA、2-氨基-1-甲基-6-苯基咪唑的熟熟肉类吡啶(PhIP)。PhIP 是一种啮齿动物前列腺致癌物和潜在的人类前列腺致癌物,并且可能解释了与白人男性相比,非裔美国男性患 PC 的风险更高。

血红素铁

一旦摄入,肌红蛋白或血红蛋白等含血红素的蛋白质就会水解成肽、氨基酸和血红素铁。给啮齿动物喂食铁血红素会诱导细胞毒性,增强结肠粘膜的细胞增殖,促进氧化应激,因此可能导致结直肠癌。血红素铁通过血流输送到身体的所有器官,可以催化氧化反应,导致包括前列腺在内的多个器官中的 DNA、蛋白质和脂质氧化。据估计,血红素催化氧化引起的自由基损伤的总体水平与电离辐射引起的自由基损伤相当。两项流行病学研究检验了血红素铁在 PC 发育中的作用。一项报告称总血红素铁摄入量与晚期 PC 风险呈正相关,而另一位报告称饮食因素与 PC 风险无关,无论阶段或等级如何。因此,需要额外的研究来评估血红素铁消耗与 PC 之间的任何潜在关联。

N-亚硝基化合物 (NOC)

致癌 NOC 包括两种化学类别,N-亚硝胺和N-亚硝酰胺,它们是由亚硝酸盐衍生的亚硝化剂分别与胺和酰胺反应形成的。添加到加工肉中的亚硝酸盐可作为抗菌剂和腌制剂,它们会产生腌肉特有的红粉色。然而,亚硝酸盐也会与加工肉类中的胺反应,产生 NOC 的膳食来源。此外,加工肉类的消费是亚硝酸盐、仲胺和酰胺的重要膳食来源,它们可以在胃肠道内进行亚硝化形成NOC。摄入红肉中的血红素可刺激消化道内源性 NOC 的形成。在 39 种不同的动物物种中检测到 300 多种 NOC,其中包括 6 种非人类灵长类动物。其中,据报道 85% 的N-亚硝胺和 92% 的N-亚硝胺会在包括肝、肺、食道、膀胱和胰腺在内的多个器官中诱发癌症。NOC 或其代谢物使 DNA 烷基化。当N-亚硝胺与 DNA 发生自发反应时,N-亚硝胺需要通过细胞色素代谢,例如通过在胃肠道中表达的细胞色素 P450 2E1。在与 NOC 形成的不同类型的 DNA 加合物中,鸟嘌呤 O 6位的烷基化是诱导 G 到 A 转变的主要损伤。大多数流行病学研究都集中在NOC在胃癌、食道癌和结直肠癌中的作用。两项流行病学研究研究了 NOC 的病因和 PC 风险:在任何一项研究中,膳食 NOC 与 PC 发展风险之间均无显着关联。因此,有必要进一步研究加工肉类和 NOC 在 PC 风险中的作用。

多环芳烃 (PAH)

PAHs 是一类具有两个或多个稠合芳环的化合物。PAHs 是由有机材料的不完全燃烧或高温热解产生的。PAH 是普遍存在的环境污染物,以复杂混合物的形式出现,但从不作为单独的成分出现。几种 PAH 被 (WHO) 归类为人类致癌物。除了职业接触,例如焦炉工人的案例,普通人群主要接触来自膳食来源的多环芳烃和香烟烟雾。肉类的制备,主要通过直接明火,导致脂肪滴热解,导致多环芳烃的形成,这些多环芳烃通过烟雾颗粒沉积在烤肉表面。一些炭烤、烤和熏制的肉类中会出现各种PAH。对一般人群每日膳食摄入量的估计不准确且范围广泛。每日总 PAH 摄入量范围为 3.7 μg 至 17 μg。研究最多的 PAH 是苯并[ a ]芘 (B[ a ]P)。乙[一]P 存在于一些烤肉中,含量高达 ~4 ng/g。 PAH 的致癌特性归因于它们能够形成易突变的 DNA 加合物。PAHs 通过细胞色素 P450 酶代谢形成反应性二氢二醇环氧化物,后者与 DNA 反应形成共价加合物,导致突变。B[ a ]P-DNA 加合物在体外暴露于 B[ a ]P后在人体前列腺细胞中形成。当通过彗星测定法测量时, B[ a ]P 处理还导致 DNA 双链断裂增加。PAH 加合物,包括 B[ a]P 加合物,经常通过免疫组织化学 (IHC) 在人类前列腺组织中检测到使用针对B[   a ]P 修饰的 DNA 产生的抗体,但也发生交叉反应与至少五种其他 PAH 的 DNA 加合物。与前列腺肿瘤组织相比,相邻人类非肿瘤前列腺组织中 PAH-DNA 加合物的水平更高,这可能是由于肿瘤中的细胞增殖率更高 。假定的 PAH-DNA 加合物的出现与前列腺切除术后 1-2 年内 PC 和癌症复发的风险较高有关。这种风险在 60 岁以下的患者、晚期疾病患者和非裔美国人患者中尤为突出]。然而,应谨慎解释这些数据,因为 IHC 不是一种特定的 DNA 加合物检测方法,即使对于使用单克隆抗体进行的测定,抗体与其他 DNA 加合物或内源性细胞成分的交叉反应可能会导致假阳性. B[ a的DNA加合物的发生]P 未在一组 PC 患者中通过液相色谱/质谱 (LC/MS) 进行分析,这是一种比 IHC 更具体的分析方法。因此,迫切需要通过 IHC 和 LC/MS 对同一标本上的 DNA 加合物进行表征,以确定分析的有效性。

杂环芳胺 (HAAs) 和 PC

HAA 的形成和暴露源

HAAs杂环芳香胺 (HAAs) 是一类超过 25 种遗传毒性化学物质,已知会在熟肉、鱼、家禽和烟草烟雾中形成。HAAs 被细分为氨基咪唑芳烃 (AIAs) 和高温热解 HAAs(图4)。AIA 含有源自肌肉组织中肌酐的N-甲基-2-氨基咪唑部分。AIA 在 150 °C 以上烹制的肉类、鱼类和家禽中形成,并通过来自 Strecker 反应的吡啶或吡嗪的反应以及与肌酸的缩合产生。热解 HAA 通过蛋白质或氨基酸(如谷氨酸和色氨酸)的高温热解 (>250 °C) 形成。当蛋白质类食物在通常高于 250 °C 的温度下加热时,就会出现热解HAA。烟草烟雾中也会形成几种 HAA。2-Amino-9 H -pyrido [2,3 - b ]indole (AαC) 是色氨酸的热解产物,是燃烧烟草中形成的主要致癌 HAA,在主流烟草烟雾中的含量高达每支香烟 258 ng。出乎意料的是,PhIP,一个包含N的 AIA-甲基-2-氨基咪唑部分肌酸,在烟草烟雾中检测到;然而,烟草烟雾中PhIP形成的机制尚未确定。大多数 HAA 的主要暴露来源是食用熟肉和家禽。熟肉中的 HAA 形成通常发生在十亿分之几 (ppb) 的低范围内,但一些HAA的水平在熟肉或家禽中可能接近数百ppb。PhIP 和 2-氨基-3,8-二甲基咪唑并[4,5- f ]喹喔啉 (MeIQx) 通常是在熟肉和家禽中形成的最普遍的 HAA。平均膳食 HAAs 摄入量范围从每天不到 2 到高达 25 ng/kg。 

图 4  

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熟肉中常见 HAA 的化学结构

DNA 加合物的生物活化和形成

HAA 通过肝细胞色素 P450 1A2 (CYP 1A2) 催化环外胺基团的 N-氧化进行广泛代谢,导致形成 N-羟基-HAAs,作为反应性中间体。CYP 1A1 和 CYP 1B1 在肝外组织中催化这一反应。N-羟基-HAA 通过乙酰化或硫酸化进一步生物活化,分别由肝脏或肝外组织中的 N-乙酰转移酶 (NAT) 或磺基转移酶 (SULT) 催化。这些不稳定的酯与 DNA 反应形成 DNA 加合物。HAA-DNA 加合物主要通过 HAA 的环外胺在脱氧鸟苷 (dG) 上的 C-8 处形成,以产生 dG-C8-HAA 加合物作为主要的 DNA 加合物。

HAA的致癌作用

HAAs 是啮齿类动物的多部位致癌物,可诱发女性口腔癌、肝癌、胃癌、结肠癌、胰腺癌和乳腺癌。值得注意的是,PhIP 是唯一一种据报道可在啮齿动物中诱发 PC 的 HAA。啮齿动物的致癌作用研究使用 0.1 至 64 毫克/千克/天的慢性剂量 HAA 来诱发肿瘤。这些剂量比 HAA 的每日摄入量高出一百万倍以上。因此,我们可能推测人类暴露水平太低而不会导致人类癌症。然而,对于 PhIP、MeIQx 和 IQ,HAA 剂量和 HAA-DNA 加合物形成之间的线性关系发生在啮齿动物组织中,这表明在接近人体暴露水平的给药方案下,HAA 的易突变 DNA 加合物仍然可以在组织中形成。 动物毒性研究可能低估了 HAA 在人类中的致癌潜力。例如,在相同剂量和暴露时间下,在原代人肝细胞中形成的 HAA-DNA 加合物的水平显着高于在原代大鼠肝细胞中形成的水平。主要在肝脏中表达的人 CYP1A2 是参与许多 HAA 代谢的主要 CYP。人 CYP1A2 在 PhIP 和 MeIQx 以及其他 HAA 的生物活化方面比大鼠同系物的催化效率更高。人 CYP1A2 和人肝微粒体优先通过环外胺基的 N 氧化来生物活化 HAA。相比之下,大鼠 CYP1A2 和大鼠肝微粒体通过杂环的氧化优先催化 HAA 的解毒作用。与大鼠肝细胞相比,人类 CYP1A2 催化 N-氧化的优越活性(较低的K m和较高的k cat )和能力可以解释在人类中形成的更高水平的 HAA 加合物。通过各种技术已在人体组织中检测到几种 HAA-DNA 加合物,这表明即使在低水平的暴露下,HAA 也可以在人体中形成 DNA加合物。

前列腺中的 PhIP DNA 损伤、突变和致癌性

啮齿动物研究

PhIP 是迄今为止研究的唯一一种将前列腺作为啮齿动物 DNA 加合物形成和致癌作用的主要部位的 HAA。PhIP经历新陈代谢,在 Wistar 和 Fischer 344 大鼠的前列腺中形成高水平的 DNA 加合物并在  Big Blue   lacI转基因大鼠的前列腺中诱导高水平的突变。PhIP 是 Fischer 344 大鼠的前列腺致癌物。PhIP 还在 CYP1A 人源化 (hCYP1A) 小鼠中诱导前列腺肿瘤,但在野生型小鼠中不诱导。这一发现强化了人类 CYP1A 在 PhIP 的生物活化方面优于啮齿动物直系同源物的概念。 在 hCYP1A 小鼠前列腺中 PhIP 诱导的肿瘤中,以 CD45 +单核白细胞和 CD8 + T 淋巴细胞浸润为标志的背外侧前列腺叶发生广泛炎症。这种炎症与萎缩的腺体、高级别前列腺上皮内瘤变和氧化应激有关。相比之下,前列腺上皮内瘤变病变的严重程度明显较低,并且很少与腹侧前列腺的炎症和氧化应激相关。这些观察结果值得注意,因为背外侧前列腺与人类外周前列腺区是同源的,这是人类最常见的 PC 发育部位。类似地,PhIP 治疗会导致炎症,Fischer 344 大鼠的肥大细胞和巨噬细胞浸润和腺体萎缩显着增加。PhIP 在 PC 啮齿动物模型中诱导的这些病理很重要,因为炎症、氧化应激和腺体萎缩是人类 PC 病理的共同特征。

人类 PC 中经常报道的癌症生物学的几个关键特征发生在啮齿动物的 PhIP 诱导的前列腺肿瘤中。例如,用 PhIP 治疗 hCYP1A 小鼠会导致前列腺肿瘤上皮细胞中 AR 蛋白表达的时间依赖性增加。AR 的上调导致更高的细胞增殖率发生在人类 PC。此外,在 h-CYP1A 小鼠中 PhIP 诱导的肿瘤显示出 E-Cadherin 和 p63 表达水平显着降低。E-Cadherin 是一种上皮细胞粘附分子,参与维持正常细胞结构,而 p63 转录因子在癌细胞生物学中具有多种功能。在 Fisher 344 和 Big Blue 大鼠中进行 PhIP 治疗还导致 Ki-67 水平显着增加,Ki-67 是一种公认的细胞增殖标志物,在前列腺上皮内瘤形成区域。这些蛋白质的异常表达和分布是上皮恶性肿瘤的标志,是人类 PC 的主要诊断标准。 h-CYP1A 小鼠中 PhIP 诱导的肿瘤也表现出氧化应激标志物水平升高,包括 8-oxo-dG 和硝基酪氨酸、氧化 DNA 损伤标志物和活性氮物种。PhIP 治疗导致 COX-2 表达上调,COX-2 是一种催化促炎前列腺素形成的环加氧酶,以及核因子(红细胞衍生 2)样 2(Nrf2)的丢失,后者是负责许多细胞保护蛋白的表达 。氧化应激是导致人类 PC 发展的关键因素。PTEN/PI3K/Akt 信号通路是细胞增殖、细胞周期进展和存活的另一个关键特征。AKT 响应氧化应激的激活和 PTEN 的丢失是人类 PC 进展中的关键事件。PhIP 诱导的 h-CYP1A 小鼠前列腺肿瘤显示 PTEN 表达显着降低和磷酸化 AKT 升高,导致细胞增殖。 啮齿动物模型中的这些机械数据强化了 PhIP 在与饮食相关的人类 PC 中发挥重要作用的生物学合理性。然而,在啮齿动物中观察到的生物学事件发生在非常高剂量的 PhIP 治疗中——高达 200 mg/kg。人类每天暴露于 100 万倍或更少的 PhIP,并且尚未研究过这种较低浓度的 PhIP 诱导类似生物效应的能力。因此,对 PhIP 在啮齿动物 PC 中的致癌作用的解释及其对人类 PC 的外推应谨慎进行。

人类研究

PhIP是迄今为止报道的唯一一种在人类 PC 患者前列腺中形成 DNA 加合物的HAA(图5)。该生物标志物数据为一些流行病学研究提供了支持,这些研究将频繁食用含有 PhIP 的熟红肉与 PC 风险增加联系起来。然而,其他调查未能发现熟红肉与 PC 风险增加之间存在关联。熟肉中 PhIP 和其他 HAA 的浓度变化幅度超过 100 倍。迫切需要通过更精确的 HAA 暴露测量来进行此类流行病学研究。 

图 5  

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dG-C8-PhIP 呈阴性和阳性的人类前列腺样品在 MS 2扫描阶段的代表性色谱图   

检测频率和人类前列腺中 PhIP-DNA 加合物的水平在不同研究之间存在很大差异,这取决于加合物测量的分析方法。例如,使用高分辨率 LC/MS 方法,在 54 名 PC 患者中的 13 名中检测到 PhIP-DNA 加合物,其水平范围为每 10 9 个DNA 碱基中的 2 至 120 个加合物。然而,在另一个队列中,在非常高比例的前列腺组织中检测到 PhIP-DNA 加合物,当通过 IHC 测量时,其水平超过每 10 7 个DNA 碱基中的几个加合物。加合物测量中的这些差异可能意味着 IHC 获得了高水平的假阳性,这可能是由于针对 PhIP 修饰的 DNA 产生的多克隆抗体与其他 DNA 加合物或内源性细胞成分的交叉反应性所致。PhIP 和其他 HAA 诱导的细胞毒性和 DNA 加合物形成已在原代和 PC 细胞系中进行了研究。母体 HAA、PhIP、MeIQx、IQ 和 AαC 在高达 10 μM 的剂量下没有毒性,并在 LNCaP 细胞中形成低水平的 DNA 加合物。然而,HONH-PhIP(PhIP 的遗传毒性代谢物)诱导细胞毒性呈剂量依赖性增加,而 HONH-MeIQx、HONH-IQ 和 HONH-AαC 没有毒性。

此外,HONH-PhIP 在 LNCaP 细胞中形成的 DNA 加合物水平比其他 HONH-HAA 高 20 倍。这些数据表明,PhIP 形成 HONH-PhIP 的初始生物活化步骤通过 CYP 1A2 催化的 N-氧化在肝脏中发生,然后是全身循环到达前列腺,其中生物活化由 II 期酶介导(图. 6 )。在原代人前列腺上皮细胞中也报道了类似的数据,其中 HONH-PhIP 形成的 DNA 加合物水平比 IQ、MeIQx 和 HONH-MeIQx 高 50 到 100 倍。 

图 6  

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人前列腺中 PhIP 和 dG-C8-PhIP 形成的代谢激活

HONH-PhIP 还诱导计划外 DNA 合成和原代人前列腺上皮细胞中 DNA 单链断裂,其水平比 HONH-MeIQx 高 100 倍。与熟肉中形成的其他突出 HAA 相比,人类前列腺细胞对 PhIP 的 DNA 损伤和遗传毒性作用的敏感性更高,概括了 PC 患者前列腺组织中的 DNA 加合物生物标志物数据,并为 PhIP 在人类中可能的因果作用提供了支持个人电脑。 PhIP 还可以通过雄激素效应通过非遗传毒性机制发挥作用,促进 PC 的发展。PhIP 与 AR 结合并调节细胞增殖。使用计算机分析,当基于预测的结合自由能时,发现 PhIP 和 HONH-PhIP 与 AR 的结合与内源性 AR 配体二氢睾酮 (DHT) 的结合相当。通过计算对接研究,PhIP 和 HONH-PhIP 都显示出与 DHT 相似的结合模式,并在与 DHT 相同的 AR 配体结合域的空腔中以高亲和力对接。此外,用 PhIP 或 HONH-PhIP 处理人前列腺上皮细胞系 LNCaP 上调 AR 和 PSA 表达。 PhIP 还通过激活促增殖细胞信号通路以不依赖 AR 的方式诱导人前列腺上皮细胞的增殖。低浓度的 PhIP(10 -12至 10 -8  mol/L)增加了 PC-3(一种 AR 阴性人前列腺细胞系)的增殖、迁移和侵袭特性。增殖和迁移是通过激活 ERK 信号转导级联和 MEK1/2 和 ERK1/2 磷酸化的快速、瞬时增加来介导的。有趣的是,上皮生长因子 (EGF) 的有丝分裂刺激诱导了相同的激活模式。增殖、迁移和侵袭是细胞致癌过程中的关键事件。因此,由 PhIP 诱导的所有这些生物学现象表明 PhIP 在人类前列腺中具有致癌潜力。风险评估的挑战是确定饮食中 PhIP 的含量是否足以构成 PC 的显着风险。

结论

越来越多的机制和流行病学数据支持饮食在 PC 发展中的作用。针对 PC 风险提出了多种机制和假设,从作为 PC 引发剂的不同类别的饮食基因毒物到参与肿瘤促进的不同饮食因素。然而,特定基因毒物和营养因子在 PC 中的确切作用仍有待阐明。需要对 PC 风险进行前瞻性流行病学研究,并改进对饮食习惯的评估,包括血浆和尿液中的保护性营养生物标志物。鉴定预防 PC 的微量营养素,以及通过特定的质谱方法检测前列腺中 DNA 损伤的生物标志物,例如 DNA 加合物及其与突变的联系,可以促进我们对饮食中影响 PC 的微量营养素和基因毒物的了解风险。

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关键词:
细胞,风险,人类,加合物,形成

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