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呋喃致癌作用及作用模式

2021-07-19 394 上传者：管理员

摘要：呋喃是广泛存在于诸如咖啡、罐装食品、婴儿食品等加工食物中的化学物,一般认为是在热分解加工中形成。研究表明呋喃对啮齿动物具有明显的肝脏毒性和致癌性,但其毒作用模式尚未完全明确。

关键词：
呋喃
恶性肿瘤
毒作用模式
致癌作用
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呋喃(C4H4O,CAS号110-00-9)作为杂环芳香族有机化合物，是一种无色、易燃、易挥发(沸点31℃)、具亲脂性的液体，广泛应用于化学制造行业，如清漆和树脂的生产、农药和稳定剂的生产、作为其他化学物(四氢呋喃、吡咯等)生产的中间体等。此外，呋喃还以烟草燃烧、柴油和汽油发动机的废气成分存在于环境中。近年来研究证明呋喃广泛存在于各种热加工食品，如咖啡、罐装食品、婴儿加工食品中，此为人体主要暴露来源[1,2]。

呋喃对啮齿动物具有明确的肝毒性，且在大鼠和小鼠中能引起肝细胞腺瘤、肝细胞癌以及胆管癌。国际癌症研究机构(InternationalAgencyforResearchonCancer,IARC)将其归为“可能对人类致癌的物质”(2B组)[2]。呋喃的致癌作用及作用模式尚不清楚，其作为人类广泛接触的物质可能存在健康风险。本文结合近年来呋喃的相关研究，就呋喃的致癌作用及作用模式做出探讨。

1、毒代动力学

呋喃的暴露途径主要为经口暴露，后经消化道迅速吸收，并分布到全身。在大鼠的体内动力学研究中，肝脏呋喃浓度可比血液呋喃浓度平均约高6倍[3]。在暴露24h后，主要在肝脏和肾脏发现呋喃的代谢产物，其次为肺和肠道。呋喃消除的主要途径是代谢转化。主要由细胞色素P4502E1(CYP2E1)将呋喃氧化开环，形成活性很强的顺-2-丁烯-1,4-二醛(BDA)[4]和二氧化碳。虽然由于其极强的活性和极短的存在时间，未曾直接检测到BDA,但尿液和胆汁的代谢产物鉴定都证明BDA确实是呋喃代谢的主要活性中间体。

BDA是活性不饱和二醛，其对组织成分如氨基酸、谷胱甘肽(glutathione,GSH)、蛋白质和生物胺都具有活性。研究表明，BDA可与游离糖苷(尤其是脱氧核糖鸟苷、胞嘧啶和腺嘌呤)和纯化DNA及细菌中的DNA形成加合物[5],这可能是呋喃具有肝毒性和肝致癌性的重要原因。但根据现有研究，尚未明确发现BDA-DNA加合物。

2、肝脏毒性及致癌作用

在多项灌胃给药的啮齿类动物实验中，呋喃表现出肝毒性和肾毒性。而且大鼠似乎比小鼠更敏感。关于呋喃的肝毒性及致癌性，有2项比较权威的慢性毒性实验：

1993年，美国国家毒理学计划(NationalToxicologyProgram,NTP)中研究人员灌胃给予Fischer344大鼠和B6C3F1小鼠呋喃，每周5天，持续104周。大鼠灌胃剂量为0、2、4和8mg/kg,小鼠灌胃剂量为0、8和15mg/kg。该慢性毒性研究明确表明呋喃的致癌性，且雄性大鼠比雌性更敏感。雄性大鼠4和8mg/kg两个剂量组既发生肝细胞癌也发生肝细胞腺瘤，而雌性大鼠没有发生肝细胞癌，仅8mg/kg剂量组发生肝细胞腺瘤；合并肝细胞腺瘤和肝细胞癌时，结果相同；雄性和雌性4和8mg/kg剂量组均观察到单核细胞白血病；该研究还报告了鞘膜间皮瘤的高发病率(包括对照组中)。该研究还发现胆管癌在所有剂量组雌性和雄性大鼠中均有发生[6]。但实际在组织学上，胆管癌和胆管纤维化很难区分。而之后按照THOOLEN等[7]的共识报告，将样本(2mg/kg剂量组23只，8mg/kg剂量组6只)重新区分胆管癌和胆管纤维化，发现大鼠仅在最高剂量下观察到胆管癌，而其他较低剂量下观察到的是胆管纤维化。在小鼠中，雄性8和15mg/kg剂量组和雌性15mg/kg剂量组发生肝细胞癌，雄性和雌性8和15mg/kg两个剂量组均发生肝细胞腺瘤；合并肝细胞腺瘤和肝细胞癌时，结果也相同；研究还发现雄性15mg/kg剂量组发生良性嗜铬细胞瘤。

暴露于可增加肿瘤发生率的呋喃剂量水平下，肝脏会出现肝细胞坏死，并伴随炎症和肝细胞的持续再生增殖，这可能是呋喃诱导肝致癌性的关键事件。MALLY等[8]连续灌胃给予大鼠呋喃28天(每周5天，持续4周),观察到提示细胞增殖的BrdU标记物增加。呋喃引起的胆管癌表现为胆管细胞和肝细胞明显的持续增殖，并足以导致不可逆的广泛的小叶中心性肝细胞毒性[9,10]。胆管和间充质细胞的持续增殖一直延伸到受损的肝实质中，然后导致胆管纤维化和肠化生。而胆管纤维化和肠化生可能是胆管癌的前期病变。

另一项是2015年美国食品药品监督管理局(FoodandDrugAdministration,FDA)国家毒理学研究中心(NationalCenterforToxicologicalResearch,NCTR)开展的后续研究[11]。NCTR为确定雄性大鼠肝脏毒性的剂量-反应关系采取了较低的剂量范围，即每天0、0.02、0.044、0.092、0.2、0.44、0.92和2mg/kg,每周5天，持续104周对F344/N大鼠进行灌胃，并在36周和60周进行中期分析。在该研究中，包括对照在内的所有剂量组均观察到单核细胞白血病，且剂量为0.092mg/kg及以上时其发生率的增加具有统计学意义，但是此发生率在该实验室同一终点和同一大鼠品系(Fischer344大鼠)的历史对照范围内，这意味着要谨慎考虑这一结果的生物学意义。同时在最高剂量2mg/kg组中，观察到鞘膜恶性间皮瘤显著增加。已知Fischer344大鼠在单核细胞白血病上具有高发病率，又考虑到恶性间皮瘤的高自发发病率，所以这些肿瘤与人类风险评估的相关性非常值得怀疑。而在重新分类后的1993年NTP研究的最高剂量(8mg/kg)组中观察到的大鼠胆管癌也未在该NCTR大鼠研究中被发现(最高剂量为2mg/kg)。终期分析表明肝细胞腺瘤的发病率呈随剂量增加的趋势，但未观察到与对照组相比的显著增加；肝细胞癌及合并(肝细胞腺瘤/癌)也未观察到有统计学意义的显著改变。最后认为该实验未观察到肝细胞腺瘤/癌显著增加，在36或60周的中期分析中也没有与处理相关的肝细胞腺瘤/癌显著变化。在非肿瘤效应中，最敏感的终点是胆管纤维化，这在0.2mg/kg及以上剂量组中均有观察到。其它具有显著变化的效应是胆道增生、卵原细胞的细胞质空泡化和再生性肥大。

综上，呋喃所导致的肝脏毒性在组织病理学上的特征表现为肝细胞损伤及胆管纤维化，这可能是其引发胆管癌的癌前病变；呋喃在高剂量(4mg/kg及以上)时可导致啮齿类动物肝细胞腺瘤/肝细胞癌的发生率增加。

3、致癌作用模式

对呋喃致癌作用模式进行研究的动物实验已经证实呋喃可使啮齿动物出现肝细胞癌、腺癌和胆管癌。且结果提示，呋喃的致癌作用与遗传毒性和非遗传毒性作用模式均有关，但具体取决于暴露水平(剂量和暴露途径)、肿瘤类型、品系和性别。

3.1遗传毒性机制

有限证据表明在呋喃的致癌作用模式中存在遗传毒性机制，即与DNA直接相互作用。

在体内研究中，有研究经口给予大鼠呋喃(0.1和2.0mg/kg)28天后，发现呋喃可诱导肝脏和肾脏形成低水平的共价DNA加合物[12],这提示遗传毒性机制存在的可能性。但是这些DNA加合物的确切性质尚未阐明。此外，也有研究经口给予小鼠呋喃(2、4、8和15mg/kg)4周后，通过碱性单细胞凝胶电泳(彗星检测)和免疫荧光检测发现脾细胞的染色体损伤增加[13],但是目前尚不清楚所观察到的染色体不稳定性是源于DNA的直接损伤还是与氧化应激诱导的DNA损伤相关的次级事件的结果。

呋喃在体外遗传毒性研究中尚无法得出一致的结论，这也增加了遗传毒性在其致癌机制中作用的争论。体外细菌实验发现，无论是否存在外源代谢活化系统(S9),呋喃均未能诱导鼠伤寒沙门菌发生基因突变[6]。在哺乳动物细胞的体外遗传毒性研究中，呋喃通常呈现阳性结果。NTP报道，无论是否存在S9,呋喃均能诱导中国仓鼠卵巢细胞(Chinesehamsterovary,CHO)的姐妹染色单体交换(sisterchromatidexchange,SCEs)和染色体畸变(chromosomalaberrations,CA)[6]。但也有阴性结果报道：KELLERT等[14]利用L5178Ytk+/-小鼠淋巴瘤细胞研究呋喃的遗传毒性，发现呋喃未诱导tk基因座突变和微核，彗星实验也未发现DNA链断裂。体外研究无法得出一致的结论，可能与检测时间点有关：如彗星实验，有研究表明呋喃暴露引起的DNA断裂/AP位点迅速出现并在数小时之内消失[15,16],这可能导致于染毒后较晚时间点检测得到阴性结果。此外，各个实验室选取的细胞来源、操作等区别也可能导致结果差异，同时这还可能与呋喃易挥发性(沸点31℃)带来的技术困难所导致的局限性有关。

相比之下，BDA作为呋喃经CYP2E1介导形成的活性代谢物，能在体外与脱氧胞嘧啶、脱氧鸟苷和脱氧核苷的外环氮原子处以及来自鼠伤寒沙门菌TA104的DNA形成DNA加合物，并能直接诱导细菌突变和体外哺乳动物细胞的链断裂和突变[14],也为呋喃在体内通过遗传毒性机制致癌提供了一定的依据。

3.2非遗传毒性机制

相较于遗传毒性机制的证据缺乏，有明确证据表明呋喃的致癌作用模式涉及非遗传毒性机制，包括表观遗传学改变、DNA氧化损伤以及再生增生等，并且这些效应均伴有组织损伤。

一项长期研究连续360天给予大鼠呋喃(0.92、2.0和4.4mg/kg),观察到肝脏全基因组DNA去甲基化和组蛋白甲基化水平持续降低，呈剂量-反应关系变化趋势[17]。DNA甲基化和组蛋白修饰是表观遗传修饰的重要形式，该研究的发现提示了致癌作用模式可能涉及到表观遗传的改变。CONTI等[18]将大鼠暴露于呋喃后，观测到组蛋白氨基酸乙酰化降低。其进一步研究发现，大鼠长时间每天暴露于呋喃后，microRNA(miRNA)的表达发生显著变化，主要是肝miRNA的变化，包括miR-34a、miR-93、miR-200a、miR-200b和miR-224过表达以及miR-375下调[19]。而在停止暴露后，大多数呋喃诱导的miRNA变化可逆，但miR-375的表达却以时间依赖性的方式稳定降低。miR-375与多种恶性肿瘤的发生、发展和预后密切相关[20,21],其在恶性肿瘤组织中呈现低水平表达可促进恶性肿瘤细胞的增殖、侵袭和转移。研究证明，miR-375可发挥抑癌作用[22]。CONTI等[18,19]的研究结果支持了呋喃的非遗传毒性作用模式的假设，表明表观遗传事件可能参与了呋喃致癌性的机制。

在此基础上，研究人员后续对NCTR进行的呋喃2年致癌实验的生物样本进行分析(仅0.92和2.0mg/kg剂量组和对照组),明确发现了表观遗传学改变在呋喃肝毒性和致癌性中作用的证据[23]。该研究通过基因表达微阵列分析观察到呋喃诱导的胆管纤维化病变中的基因表达相对对照组发生了显著变化，其中两个剂量组均有的差异表达基因为1001个；通过对1001个差异表达基因的胞嘧啶DNA甲基化状态进行分析，发现109个基因包含差异及甲基化的DNA区域，且其中42个与基因启动子区域重叠，并有48%参与包括肝纤维化、细胞内外信号传导、基因转录、肝干细胞和非实质细胞的激活等关键途径，甲基化水平与表达程度呈反比。其中，参与肝纤维化的相关基因Areg、Jag1表现为过表达和甲基化的丧失，这些基因在成熟肝细胞癌和癌变早期均有发现[24,25];Foxe1表现为沉默和DNA超甲基化。Foxe1能识别并结合位于大鼠某些基因(包括Duox2和Adamts1)启动子区域的调控序列，并抑制其表达[26]。Duox2[27]和Adamts1[28]均参与纤维化形成，Duox2更是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamideadeninedinucleotidephosphate,NADPH)氧化酶家族的成员，而NADPH在肝损伤和肝癌发生中起关键作用。

综上所述，非遗传毒性机制在呋喃致癌中所起到的作用已经有明确的证据证明，而遗传毒性机制尚存在争议，但无法否认其作用的可能性。

4、结语

食品中的致癌物一直备受关注。呋喃广泛存在于加工食品中。当食品中的碳水化合物、脂肪酸和抗坏血酸等经过加热、烘焙、烹饪等加工就会产生呋喃，吸烟与被动吸烟都会造成呋喃的暴露。现有研究表明，呋喃具有肝脏毒性和致癌性。因此有必要研究呋喃以防控其健康风险。

从现有的研究来看，呋喃的致癌机制涉及到遗传毒性和非遗传毒性两种模式。一方面，基于部分体外研究证据及有限的一些关于染色体损伤的体内研究证据，提示呋喃在大鼠和小鼠中的致癌作用模式可能涉及遗传毒性机制。另一方面，也有明确的证据表明呋喃的致癌作用模式涉及非遗传毒性机制，包括表观遗传学改变、DNA氧化损伤以及细胞再生增生，并且这些效应伴随有组织损伤。理论上，DNA修复加工过程中的蛋白质失活也可造成基因组不稳定，但尚缺乏这方面的研究。由此可见，关于呋喃致癌作用及其作用模式尚不明确，亟须更多的研究提供更为清晰的证据。

文章来源：陈怡依,李晓蒙,陈锦瑶.呋喃致癌作用及作用模式[J].卫生研究,2021,50(04):681-685.