Gây ung thư và biểu sinh
Nghiên cứu ung thư đã tiết lộ rằng mô hình cổ điển về sinh ung thư, một quá trình ba bước bao gồm khởi đầu, thúc đẩy và tiến triển, chưa hoàn thành. Sự mở rộng của mô hình gây ung thư thành một quá trình đa cơ học xảy ra trong một thời gian dài đã được hỗ trợ bởi các nghiên cứu thực nghiệm liên quan đến tế bào gốc ung thư, giao tiếp giữa các tế bào khoảng cách và kỹ thuật nuôi cấy 3D. Trước khi thu thập dữ liệu gây ung thư và độc tính gen cùng với nghiên cứu hiện tại cung cấp một nền tảng để hiểu quá trình gây ung thư phức tạp đặc trưng bởi cả hai khía cạnh gây đột biến và biểu sinh.
Lý thuyết cổ điển về sự tạo ung thư, chất khởi đầu và Promotor khối u.
Mô hình cổ điển về sự phát sinh ung thư (Hình 1) bắt đầu với sự khởi đầu trong đó tiếp xúc với một chất gây ung thư dẫn đến sự thay đổi di truyền tuần tự thành một tế bào duy nhất. Quá trình bắt đầu tiến hành giai đoạn khuyến khích, nơi tiếp xúc gây ung thư bổ sung dẫn đến sự phân chia tế bào tăng cường.1,2 "chất khởi đầu gây ung thư", từ bức xạ (ví dụ, tia UV và tia X) và các nguồn hóa học, kết hợp với promoter được sử dụng trong các mô hình thí nghiệm để tạo ra sự hình thành khối u. Các chất khởi đầu gây độc gen đột biến DNA tế bào bằng cách sử dụng một số cơ chế bao gồm alkyl hóa, chuyển hóa cytochrom P450, hoặc sản xuất các loại oxy phản ứng nội bào. Nếu tổn thương DNA đối với tế bào không được sửa chữa đầy đủ và tế bào không trở nên lão hóa hay chết rụng, sự kiện đột biến DNA soma có thể được theo sau bởi sự tăng sinh tế bào hỗ trợ promoter và hình thành khối u ác tính trong giai đoạn tiến triển.

Hình 1.Mô hình cổ điển của carcinogensis kéo dài từ lúc bắt đầu đến khi thăng tiến và sau đó tiến hóa đến tiến triển. Xem văn bản để biết thêm mô tả.
Trong mô hình thực nghiệm của sự gây ung thư, tiếp xúc với một chất khởi đầu gây ung thư được theo sau bởi việc áp dụng lặp đi lặp lại của một chất khởi động gây ung thư không gây đột biến để tăng cường sự tăng sinh tế bào. Các hormone cụ thể, thuốc, tác nhân truyền nhiễm và chất gây ung thư hóa học đã được xác định là chất thúc đẩy khối u trong mô hình động vật. Các chất gây ung thư hóa học thường được sử dụng để thúc đẩy sự hình thành khối u trong các mô hình thí nghiệm được tìm thấy trên cùng một trang, các Promotor khối u.
Các khối u chủ yếu phát sinh từ các tế bào biểu mô tạo thành lớp lót của khoang hoặc ống dẫn. Trong mô hình thí nghiệm, sự tiếp xúc của biểu mô với một chất khởi đầu và promoter được theo sau bởi giai đoạn tiến triển, trong đó sự tích lũy của các đột biến di truyền bổ sung, biểu hiện oncogene và trao đổi DNA nhiễm sắc thể dẫn đến ung thư biểu mô. Tiến triển liên quan đến sự biến đổi của các tế bào tăng sinh thành một trạng thái tăng trưởng ngày càng ác tính. Các đột biến di truyền tích lũy là cần thiết để biến đổi các tế bào biểu mô khỏe mạnh thành ung thư biểu mô biểu mô thể hiện sự tăng trưởng bất thường, sống sót và xâm lấn. Các đột biến làm thay đổi chức năng của các protein được mã hóa bởi các gen điều hòa tăng trưởng (tức là các gen ung thư và gen ức chế khối u) và cuối cùng ảnh hưởng đến sự tăng sinh tế bào không được điều hòa.3
Ung thư biểu mô là dạng ung thư phổ biến nhất ở người và phát sinh trong vô số các lớp tế bào biểu mô được tìm thấy trong miệng, thực quản, ruột, dạ dày, tuyến vú, tuyến tụy, da, phổi, gan, buồng trứng, túi mật và bàng quang tiết niệu. Các chất gây ung thư hóa học thường được sử dụng trong một môi trường nghiên cứu ứng dụng để bắt đầu gây tổn thương đột biến cho nghiên cứu ung thư biểu mô được tìm thấy trên cùng một trang, chất gây ung thư.
Genotoxicity Data and Testing
Các chất gây ung thư không khởi đầu thúc đẩy sự hình thành khối u thông qua các cơ chế không di truyền, nguyên sinh hoặc gây độc tế bào. Trong mô hình thực nghiệm của sự tạo ung thư, các chất kích thích khối u thúc đẩy sự hình thành các quần thể tế bào con từ một tế bào tiền thân phổ biến (ví dụ nhưmở rộng vô tính ). Mở rộng vô tính là chìa khóa để thu nhận tế bào của một đột biến bổ sung; hậu duệ vô tính phải trở nên quá nhiều đến nỗi một đột biến với xác suất xảy ra thấp phát sinh trong quần thể tế bào vô tính mở rộng. Giai đoạn thúc đẩy của sự tạo ung thư dẫn đến một năng suất khối u cao và thu được các đột biến bổ sung thông qua sự mở rộng vô tính và sao chép tế bào.4 Ngoài ra, tiến triển khối u được thúc đẩy trong quá trình phân chia tế bào lặp đi lặp lại, kích hoạt promoter do hậu quả của các sự kiện sau3:
1) Sự hình thành của các chuỗi DNA đột biến do sao chép sai DNA
2) huy động các gen ức chế khối u trong quá trình tái tổ hợp phân bào và phân tách nhiễm sắc thể bị lỗi
3) rút ngắn DNA telomere trong các tế bào gốc
nghiên cứu về tính đột biến của tác nhân gây ung thư môi trường và kết quả đánh giá nguy cơ ung thư dựa trên độc tính gen đã là một trọng tâm đáng kể của nghiên cứu ung thư kể từ khi phát triển bài kiểm tra Ames của Bruce Ames năm 1975. Xét nghiệm Ames cho khả năng đột biến được thực hiện bằng cách kết hợp một hợp chất thử nghiệm gây ung thư với chất đồng nhất gan chuột. Mẫu thử nghiệm được kích hoạt trao đổi chất này được thêm vào một món Petri có chứa một Salmonell astrain đặc biệt không thể phát triển mà không có histidine bổ sung. Chỉ có vi khuẩn bị đột biến thành kiểu gen độc lập histidine mới phát triển. Tỷ lệ tăng trưởng thuộc địa tương quan với tính đột biến của hợp chất thử nghiệm.
Kể từ khi đưa ra xét nghiệm Ames, các kỹ thuật khác đã được phát triển để đánh giá khả năng của một tác nhân gây độc gen đối với thiệt hại bất hợp pháp trên DNA và nhiễm sắc thể. Những kỹ thuật này được sử dụng để theo dõi sự gia tăng:
1) đột biến, quang sai nhiễm sắc thể, hoặc aneuploidy
2)
3
Dữ liệu thử nghiệm độc tính di truyền không đặc hiệu DNA hoặc nhiễm sắc thể được báo cáo trong cơ sở dữ liệu trực tuyến được xem xét ngang hàng của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ, GEN-TOX, có nguồn gốc từ một chủng loại các xét nghiệm i nvitr và i nviv bằng cách sử dụng các sinh vật nhân sơ, sinh vật nhân thực, sinh học, sinh học, và các loài động vật có vú. GENE-TOX có thể truy cập được, miễn phí, thông qua TOXNET (xem Table 1for GENE-TOX và các tài nguyên khác).
Người ta đã lập luận rằng tầm quan trọng đặt lên dữ liệu đột biến có nguồn gốc từ các xét nghiệm i nvitr và các mô hình gặm nhấm trong ba mươi năm qua không chỉ khuyến khích kỳ vọng rằng các chất gây ung thư được coi là đột biến gây ung thư ở người mà còn củng cố giả định "chất gây ung thư ngang bằng với đột biến". Điều này có thể được coi là một quan điểm hẹp vì quá trình hoàn chỉnh không được đại diện tốt bằng phân tích độc tính gen. Sinh ung thư được coi là một quá trình phức tạp xảy ra trong một khoảng thời gian dài và phụ thuộc vào các sự kiện biểu sinh gây ra bởi các chất gây ung thư không gây độc gen.5,6
Ngoại di truyền học và kỹ thuật hiện tại
Các chất gây ung thư không gây độc, không apoptotic và không gây độc tế bào cho tế bào vẫn có thể góp phần gây ung thư theo cách biểu sinh, bằng cách ảnh hưởng trực tiếp đến biểu hiện gen trong quá trình phiên mã, dịch mã và các sự kiện sau dịch mã. Các cơ chế biểu sinh được sử dụng bởi lớp chất gây ung thư đặc biệt này mang lại những thay đổi di truyền hoặc không di truyền đối với các mô hình methyl hóa và acetyl hóa của DNA và histone.7,8 Có nhiều tác nhân gây độc tố nongenotoxic gây ra những thay đổi biểu sinh trong cả tế bào tăng sinh và không tăng sinh. Ví dụ, asen, một chất gây ung thư ở người, không gây ra tổn thương đột biến mà là góp phần gây ung thư bằng cách tăng sản xuất các loại oxy phản ứng (ROS).9 Sản xuất ROS hỗ trợ asen, được báo cáo cụ thể trong một nghiên cứu mô phổi, dẫn đến sự biểu hiện gen thay đổi với tổn thương oxy hóa được xác định là yếu tố đóng góp chính.10 Hơn nữa, Li, et al. chứng minh rằng asen kích hoạt biểu hiện gen căng thẳng của synthetase γ-glutamylcysteine trong các tế bào biểu mô phổi nuôi cấy.11 asen, DDT,1 2phenobarbital,1 3saccharin,1 4and peroxisome proliferators1 5have đã được chứng minh bằng thực nghiệm là góp phần gây ung thư mà không có sự đóng góp độc hại gen.6
Quang sai trong biểu hiện gen, chẳng hạn như những gen gây ra bởi asen, dẫn đến sự mất cân bằng giữa apoptosis, tăng sinh và biệt hóa dẫn đến ung thư hoặc các trạng thái bệnh khác.16 Biểu hiện gen thay đổi thường được đi trước bởi sự thay đổi trong tín hiệu tế bào bình thường trong quá trình dịch mã và tín hiệu liên tế bào trong các mô.
Sự cân bằng nội môi của sinh vật đa tế bào phụ thuộc vào các cuộc trò chuyện tín hiệu trong và giữa các tế bào. Các chất gây ung thư đã được liên quan đến sự đóng góp biểu sinh của chúng vào sự thay đổi biểu hiện gen trong giao tiếp giữa các tế bào khoảng trống (GJIC). Các tế bào được kết nối thông qua các mối nối khe hở sử dụng các kênh GJIC để duy trì cân bằng nội môi. Tiếp xúc gây ung thư năm 17 có thể phá vỡ sự cân bằng nội môi của sinh vật bằng cách ức chế GJIC, dẫn đến "thức tỉnh" của một tế bào tĩnh thường bị ức chế thông qua ức chế tiếp xúc.5
Các mối nối khoảng trống là các miền màng tế bào chuyên biệt bao gồm các tập hợp các kênh liên tế bào kết nối trực tiếp tế bào chất của các tế bào lân cận.18 Vòng hở phối hợp chức năng tế bào và cơ quan trong các mô và có liên quan đến việc đồng bộ hóa các hoạt động sinh lý tế bào, kiểm soát tăng trưởng và điều hòa phát triển. Các kênh nối khe hở cho phép trao đổi giữa các tế bào ion, nucleotide và các phân tử nhỏ giữa các tế bào liền kề. Không giống như các kênh màng khác, các kênh liên tế bào trải qua hai màng huyết tương được bao bọc và đòi hỏi sự đóng góp của các kênh bán cầu, được gọi là connexon, từ cả hai tế bào tham gia.19 Mức protein nối khe hở thay đổi để đáp ứng với sự phá vỡ kiến trúc mô.20 Giảm hoặc thay đổi mức độ hoặc các loại connexin biểu hiện trong các loại tế bào khác nhau tương quan với tiến triển khối u và di căn.
Với sự biểu hiện và chức năng của các gen connexin có liên quan nhiều đến chu kỳ tăng trưởng tế bào, không có gì đáng ngạc nhiên khi một tỷ lệ cao các tế bào ác tính được đánh dấu bằng GJIC rối loạn chức năng và các tế bào khối u biểu hiện sự thay đổi vị trí connexin, góp phần vào sự thiếu chức năng bám dính tế bào.9 promoter không gây độc gen có thể ngăn chặn GJIC ở mức không gây độc tế bào bằng cách ngăn chặn "ức chế tiếp xúc" giữa các tế bào và cho phép chúng tăng sinh.21 Bằng chứng này ủng hộ khái niệm rằng GJIC là cơ chế tế bào chịu trách nhiệm thúc đẩy khối u và khả năng "khởi tạo" các tế bào để thoát khỏi sự ức chế bằng giao tiếp giữa các tế bào.
Các hợp chất trước đây được giả định là bắt đầu đột biến gen ung thư trong các khối u của động vật tiếp xúc hóa học đã được xem xét lại để hỗ trợ sự hiểu biết về hiệu ứng biểu sinh có thể của chúng. Cha, và cộng sự Báo cáo rằng đột biến gen ung thư Ha-ras-1 trong các tế bào biểu mô động vật có vú không góp phần bắt đầu sự hình thành khối u động vật có vú tự phát ở chuột và trong một nghiên cứu thứ hai báo cáo rằng khối u động vật có vú do N -nitroso-N -methylurea phát sinh từ các tế bào có đột biến Ha-ras- 1gene có từ trước.22,23 Additionally, Brookes et al. (bằng tiếng Anh)2 4and Mass và Austin2 5previously cho thấy 7,12-dimethylbenz [a] anthracene (DMBA) không đột biến gen Ki-ras và Ha-ras của các tế bào biến đổi DMBA.17
Nghiên cứu hydrocarbon thơm đa vòng (PAH) gần đây cũng minh họa việc đánh giá lại các chất gây ung thư như là những chất gây đột biến chính trong quá trình gây ung thư. Kể từ khi được xác định là PAH gây đột biến, trọng lượng phân tử cao được tìm thấy trong khói thuốc lá (ví dụ, benzo [ a ] pyrene ) đã là trọng tâm của nghiên cứu ung thư tobaccorelated . Tuy nhiên, các PAH có trọng lượng phân tử cao đại diện cho tỷ lệ phần trăm cấu thành hóa học thấp hơn đáng kể của khói thuốc lá. Tính đến các thực tế rằng (a) các PAH trọng lượng phân tử thấp hơn đã chứng minh khả năng gây ung thư cao khi áp dụng sau khi xử lý benzo, khói thuốc lá 26 (b) là một chất kích thích mạnh và chất gây ung thư hoàn toàn yếu,27-3 0and (c) mà những người hút thuốc trước đây phải đối mặt với nguy cơ phát triển ung thư liên quan đến thuốc lá thấp như một người không hút thuốc, 31 người ta có thể suy ra rằng PAH trọng lượng phân tử thấp đóng góp vào một cách không gây độc gen cho sự phát triển ung thư liên quan đến thuốc lá.17 Nghiên cứu độc tính liên quan đến biểu sinh về mối quan hệ cấu trúc-chức năng của PAH và ức chế GJIC đang được tiến hành.6,32,33
Rosenkranz và cộng sự Tiến hành một nghiên cứu mối quan hệ hoạt động cấu trúc toàn diện để khám phá mối tương quan giữa ức chế GJIC và các phân tử với các đặc tính độc tính khác nhau. Các tác giả cho rằng ức chế GJIC không liên quan đến các cơ chế gây độc gen, mà thay vào đó GJIC có liên quan đến sự cân bằng chức năng chu kỳ tế bào: Tăng sinh, biệt hóa tế bào và apoptosis.34
Tương tự, Trosko và cộng sự Bảo vệ tầm quan trọng của kiểm tra điểm cuối biểu sinh trong nghiên cứu cơ học về chức năng chu kỳ tế bào, sự thay đổi methyl hóa và giao tiếp tế bào bằng cách sử dụng các kỹ thuật xét nghiệm máu 3D i nvitr bình thường của tế bào gốc người.8,35 Thay vì tiến hành kiểm tra điểm cuối ở cấp độ bộ gen với phân tích biểu hiện gen microarray DNA, một số nhà khoa học khuyên rằng trọng tâm thực nghiệm nên ở mức mô. Các kỹ thuật nuôi cấy năm 3D đã được sử dụng để kiểm tra vai trò của tương tác giữa các tế bào biểu mô và ma trận ngoại bào (ECM) liên quan đến hành vi apoptotic của tế bào.36 Vì hệ thống nuôi cấy năm 3D hiện là cấu trúc i nvitr tốt nhất của môi trường vi mô tế bào i nviv, các kỹ thuật này cũng đang được áp dụng trong nghiên cứu các sự kiện biểu sinh gây ra bởi môi trường tế bào gốc.37
Như một sự hiểu biết kỹ lưỡng về hoạt động cơ học của sinh ung thư được làm sáng tỏ và kết hợp với dữ liệu bổ sung từ nghiên cứu trước đó, hướng dẫn phòng ngừa cải thiện và phương pháp điều trị sẽ được phát triển. Sự nhấn mạnh vào các chất chống ung thư cụ thể, chẳng hạn như các chất dinh dưỡng sinh học, sẽ tăng lên khi tầm quan trọng của các tương tác của chúng được xác nhận bởi thông tin được cung cấp thông qua nghiên cứu tiếp tục về sinh ung thư.6