石英和石棉的致癌、致纤维化及其机制研究
作者：刘秉慈
单位：100050 北京,中国预防医学科学院劳动卫生与职业病研究所
关键词：
中华劳动卫生职业病杂志980504 石英和石棉是两种危害严重的粉尘，均可导致肺纤维化，又均具有致癌性。石棉是国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer,IARC)早已确定的人类致癌物。石英近年被IARC宣布由动物致癌物升级为人类致癌物。目前对石英和石棉的致癌、致纤维化及其机制研究进展很快，其中大量研究涉及到石英和石棉的致纤维化与致癌性的关系问题。
对石英的致癌性国际上经历了数十年的激烈争论。1930年，Dible收集到的14例矽肺病例中，有4例患肺癌，其肺癌患病率远远高于普通人群。他率先提出了石英致癌说。这一假说引发了一场国际争论和广泛、深入的研究与调查。1984年召开了第一届国际石英、矽肺、肺癌学术会议，与会代表争论激烈：有人认为流行病学调查中混杂因素较多，有些设计不够完善，难以据此得出石英是人类致癌物的结论；然而大多数学者接受了动物实验等实验室研究的结论，认为石英可列为动物致癌物。在大量研究论证的基础上，IARC于1987年宣布石英为动物致癌物、人类可疑致癌物。1993年10月，第二届国际石英、矽肺、肺癌学术会议在旧金山召开。会后，IARC组成了专题工作组，对石英的人类致癌性进行了全面评价。IARC于1996年10月正式宣布将石英由动物致癌物升级为人类致癌物，但同时指出尚需人类DNA水平的直接证据。
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我国学者早已认识到从基因水平分析石英对人类致癌性的重要性和必要性，较早开始了石英接触工人肺癌组织中DNA改变的研究。在IARC公布石英为人类致癌物的同时，我国学者在国际会议上宣读了发现矽肺肺癌具有完全有别于普通肺癌的基因突变谱的论文，为石英人类致癌提供了遗传学证据。已经证明化学致癌物对DNA的攻击具有一定的专一性，不同的化学物质导致的DNA突变具有不同的特点，这种特殊的突变规律被称为基因突变谱。基因突变谱的分析对确定化学物质的致癌性具有决定意义。我们实验室发现矽肺肺癌组织中p53基因突变在外显子和不同病理分类肺癌中的分布完全有别于普通肺癌。尤其值得注意的是，36例矽肺肺癌中检测出的K-ras突变竟无一例发生在第12密码子上。而在普通肺癌中，70%～100%的K-ras基因突变发生在第12密码子上。这一发现为石英作为人类致癌物提供了分子水平的证据，其意义更为重大。
石英造成基因突变的作用方式还有待研究。已有体外实验发现：石英能够与DNA发生直接反应。傅立叶变换红外光谱观察到：将石英与DNA共同孵育后，石英表面的硅烷醇基与DNA的核苷酸骨架间形成大量氢键。电镜观察到石英粉尘在上皮细胞核内和有丝分裂的纺锤体中存在。推测石英与DNA的直接反应可能对石英的致癌性起决定作用，石英粉尘上的自由基原位锚定于DNA分子链上，将干扰DNA的复制和修复。
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近年来有关粉尘致纤维化及致癌与自由基改变的研究很多。1993年在美国摩尔根市专题召开了氧自由基与肺损伤学术研讨会，在介绍了氧自由基的生物化学及检测技术的基础上，重点交流了氧自由基与炎症、纤维化及癌变的关系方面的研究成果。动物实验及细胞培养证明：石英粉尘可诱导氧自由基的产生和DNA链的断裂。物理学方法观察到石英粉尘表面的氧自由基可以与DNA链紧密结合，并在距石英粉尘攻击的靶碱基数埃(A°)的位置对DNA造成损伤。
在研究石英毒性与自由基关系的过程中，发现新鲜的石英粉尘和陈旧的石英粉尘毒性差别很大：用新鲜制备的石英粉尘和储存2个月的粉尘分别对大鼠染尘，前者能引起更强的细胞毒性和炎症反应。新鲜粉尘表面活性明显增强，生成自由基明显增加，提示在石英粉尘毒性研究中应注意石英粉尘的新鲜程度。然而有学者认为新、旧石英毒性的差异是有限的，否则便无法解释许多脱离石英粉尘作业环境的矽肺患者病情仍持续进展的事实。
采用不同的实验动物观察石英毒性时还发现：大鼠、小鼠及仓鼠对石英的刺激具有不同的反应性。在大鼠中，石英粉尘诱发的由Ⅱ型肺泡细胞起源的腺癌的比例很高，癌变往往分布在矽结节周围；但在小鼠和仓鼠中几乎不能发现上述病理改变。既使同为小鼠,不同品系小鼠对石英粉尘的敏感性也不同。在染尘的急性反应期，C3H/HeJ小鼠的细胞学反应明显强于C57BL/6J小鼠。因此，应注意在石英毒性研究中对实验动物的种属及品系进行适当的选择。
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与石英毒性研究相比，对石棉致癌机制的研究历史更久远，结论更明确。
石棉与石英虽然均具有致纤维化及致癌作用的共性，但在流行病学及致病机制方面却有着显著差别。美国1994年的统计资料显示：随着预防措施的加强，矽肺死亡率逐年稳步下降，由1968年的1 157人下降到1990年的301人。然而石棉肺癌的死亡率却逐年上升，由1968年的77人上升到1990年的948人，上升率为850%。石棉持久、强烈的毒性及其在日常建筑物中的石棉的致癌可能性一度引起人们的恐慌，同时也引起了各国政府的高度重视。石棉危害已由劳动保护问题扩大为环境保护问题。
石棉是一种特殊的致癌物，其致癌机制有别于绝大多数致癌物，它不与DNA发生直接化学反应，在细菌突变实验中，不引起碱基替换和移码改变。石棉在恶性肿瘤和培养细胞中可导致广谱性的染色体畸变，最常见的是第1、3、7、9、17和22号染色体的倒位、转座和缺失。核型研究报告证明17p13的缺损具有恶性间皮瘤特异性。由于抑癌基因p53即定位于17号染色体短臂17p13上，p53基因成为石棉相关肿瘤的研究热点。除对抑癌基因p53外，对抑癌基因Rb、p16、NF2、WT1以及癌基因ras、c-fos、c-jun和sis也有较多的研究。在石棉致癌过程中，多种基因发生改变，但未发现石棉致癌具有显著特异的基因突变谱。芬兰学者对数量较大的石棉作业工人的肺癌基因突变特征进行了分析，并与肺组织中石棉纤维数量进行了综合比较，发现在ras家族中，仅有K-ras基因发生了突变，发生突变的肺癌病理类型以腺癌为主。这种规律与非职业肺癌相似。另外，他们注意到肺癌发病率与肺中石棉纤维数量虽有一定相关性，但未见统计学意义。由于多数石棉作业工人具有吸烟史，石棉作业工人肺癌基因突变与单纯吸烟者肺癌基因突变谱难以进行比较。一般认为,石棉与吸烟存在联合致癌作用。华西医科大学曾在动物实验中观察了石棉与苯并(a)芘联合诱发大鼠肺癌时基因点突变的特征。
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自由基在石棉致癌、致纤维化过程中起着重要作用。在前述氧自由基与肺损伤学术会议上，亦有许多有关石棉毒性与自由基作用的研究报告，特别强调石棉与吸烟联合作用可以加剧自由基的生成，进而导致DNA链的断裂和特异碱基的替换。有人提出“粉尘-自由基-细胞因子”是粉尘毒性的作用链，强调细胞因子的介导作用。转化生长因子(TGF-β)、细胞介毒素(IL)、血小板衍生生长因子(PDGF-A)、肿瘤坏死因子(TNF)都被证明在染尘后发生改变。在细胞因子与石英、石棉毒性关系的研究中，Brody认为:在诸多因子中，TNF是最关键的因子，起到引发一系列病理变化的作用。他成功地采用基因敲除技术证明了TNF的核心作用：他用基因敲除技术去掉了动物模型的TNF基因，使它们体内无TNF蛋白表达。然后将正常鼠及TNF基因敲除鼠同时染尘后，比较其纤维化和癌变的各项病理学、生物化学、细胞学及分子生物学指标，初步结果已为其观点提供了支持性数据。
综上所述，对石英和石棉的毒性及机制研究已取得了重要成果，有助于科学、深入地评价石英和石棉的危害并指导尘肺及肺癌的预防与治疗。但石英、石棉致癌及致纤维化的全部机制并不清楚，它们仍旧是今后的研究方向，其中两点是较为活跃的领域：
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1.肺纤维化与癌变的生物学相关性研究:矽肺纤维化、石棉肺纤维化与肺癌、恶性间皮瘤在统计学上显示相关性，然而相关的两个现象并不一定经历同一生物过程。接受石英、石棉粉尘刺激后，机体完全可引发两个独立的生物过程,分别导致肺纤维化和癌变。Egilman明确指出：石棉作业工人患肺癌并不一定伴随肺纤维化，临床和病理分析均无纤维化症状。证明纤维化与癌变间的生物学相关性最令人信服的证据可望来自DNA水平的分子生物学研究。采用差异显示反转录PCR技术、差减杂交技术，可以揭示纤维化与癌变的相关性和(或)独立性。
2.生物标志物研究：矽肺、石棉肺及相关肺癌的鉴别诊断对其预防及临床治疗意义重大，但目前仍缺乏灵敏、特异的检测指标。在1998年5月大连召开的第六次全国劳动卫生与职业病学术会议上，我国学者对生物标志物研究进行了专题讨论，认为生物标志物研究是包括尘肺在内的职业病研究的重要领域，应集中精力为劳动卫生第一线服务，寻找特异、灵敏、适于基层操作的生物标志物。
石英及石棉危害在我国尤为突出，其预防及研究将是一项长期而艰巨的任务。
(收稿：1998-06-09), 百拇医药
单位：100050 北京,中国预防医学科学院劳动卫生与职业病研究所
关键词：
中华劳动卫生职业病杂志980504 石英和石棉是两种危害严重的粉尘，均可导致肺纤维化，又均具有致癌性。石棉是国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer,IARC)早已确定的人类致癌物。石英近年被IARC宣布由动物致癌物升级为人类致癌物。目前对石英和石棉的致癌、致纤维化及其机制研究进展很快，其中大量研究涉及到石英和石棉的致纤维化与致癌性的关系问题。
对石英的致癌性国际上经历了数十年的激烈争论。1930年，Dible收集到的14例矽肺病例中，有4例患肺癌，其肺癌患病率远远高于普通人群。他率先提出了石英致癌说。这一假说引发了一场国际争论和广泛、深入的研究与调查。1984年召开了第一届国际石英、矽肺、肺癌学术会议，与会代表争论激烈：有人认为流行病学调查中混杂因素较多，有些设计不够完善，难以据此得出石英是人类致癌物的结论；然而大多数学者接受了动物实验等实验室研究的结论，认为石英可列为动物致癌物。在大量研究论证的基础上，IARC于1987年宣布石英为动物致癌物、人类可疑致癌物。1993年10月，第二届国际石英、矽肺、肺癌学术会议在旧金山召开。会后，IARC组成了专题工作组，对石英的人类致癌性进行了全面评价。IARC于1996年10月正式宣布将石英由动物致癌物升级为人类致癌物，但同时指出尚需人类DNA水平的直接证据。
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我国学者早已认识到从基因水平分析石英对人类致癌性的重要性和必要性，较早开始了石英接触工人肺癌组织中DNA改变的研究。在IARC公布石英为人类致癌物的同时，我国学者在国际会议上宣读了发现矽肺肺癌具有完全有别于普通肺癌的基因突变谱的论文，为石英人类致癌提供了遗传学证据。已经证明化学致癌物对DNA的攻击具有一定的专一性，不同的化学物质导致的DNA突变具有不同的特点，这种特殊的突变规律被称为基因突变谱。基因突变谱的分析对确定化学物质的致癌性具有决定意义。我们实验室发现矽肺肺癌组织中p53基因突变在外显子和不同病理分类肺癌中的分布完全有别于普通肺癌。尤其值得注意的是，36例矽肺肺癌中检测出的K-ras突变竟无一例发生在第12密码子上。而在普通肺癌中，70%～100%的K-ras基因突变发生在第12密码子上。这一发现为石英作为人类致癌物提供了分子水平的证据，其意义更为重大。
石英造成基因突变的作用方式还有待研究。已有体外实验发现：石英能够与DNA发生直接反应。傅立叶变换红外光谱观察到：将石英与DNA共同孵育后，石英表面的硅烷醇基与DNA的核苷酸骨架间形成大量氢键。电镜观察到石英粉尘在上皮细胞核内和有丝分裂的纺锤体中存在。推测石英与DNA的直接反应可能对石英的致癌性起决定作用，石英粉尘上的自由基原位锚定于DNA分子链上，将干扰DNA的复制和修复。
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近年来有关粉尘致纤维化及致癌与自由基改变的研究很多。1993年在美国摩尔根市专题召开了氧自由基与肺损伤学术研讨会，在介绍了氧自由基的生物化学及检测技术的基础上，重点交流了氧自由基与炎症、纤维化及癌变的关系方面的研究成果。动物实验及细胞培养证明：石英粉尘可诱导氧自由基的产生和DNA链的断裂。物理学方法观察到石英粉尘表面的氧自由基可以与DNA链紧密结合，并在距石英粉尘攻击的靶碱基数埃(A°)的位置对DNA造成损伤。
在研究石英毒性与自由基关系的过程中，发现新鲜的石英粉尘和陈旧的石英粉尘毒性差别很大：用新鲜制备的石英粉尘和储存2个月的粉尘分别对大鼠染尘，前者能引起更强的细胞毒性和炎症反应。新鲜粉尘表面活性明显增强，生成自由基明显增加，提示在石英粉尘毒性研究中应注意石英粉尘的新鲜程度。然而有学者认为新、旧石英毒性的差异是有限的，否则便无法解释许多脱离石英粉尘作业环境的矽肺患者病情仍持续进展的事实。
采用不同的实验动物观察石英毒性时还发现：大鼠、小鼠及仓鼠对石英的刺激具有不同的反应性。在大鼠中，石英粉尘诱发的由Ⅱ型肺泡细胞起源的腺癌的比例很高，癌变往往分布在矽结节周围；但在小鼠和仓鼠中几乎不能发现上述病理改变。既使同为小鼠,不同品系小鼠对石英粉尘的敏感性也不同。在染尘的急性反应期，C3H/HeJ小鼠的细胞学反应明显强于C57BL/6J小鼠。因此，应注意在石英毒性研究中对实验动物的种属及品系进行适当的选择。
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与石英毒性研究相比，对石棉致癌机制的研究历史更久远，结论更明确。
石棉与石英虽然均具有致纤维化及致癌作用的共性，但在流行病学及致病机制方面却有着显著差别。美国1994年的统计资料显示：随着预防措施的加强，矽肺死亡率逐年稳步下降，由1968年的1 157人下降到1990年的301人。然而石棉肺癌的死亡率却逐年上升，由1968年的77人上升到1990年的948人，上升率为850%。石棉持久、强烈的毒性及其在日常建筑物中的石棉的致癌可能性一度引起人们的恐慌，同时也引起了各国政府的高度重视。石棉危害已由劳动保护问题扩大为环境保护问题。
石棉是一种特殊的致癌物，其致癌机制有别于绝大多数致癌物，它不与DNA发生直接化学反应，在细菌突变实验中，不引起碱基替换和移码改变。石棉在恶性肿瘤和培养细胞中可导致广谱性的染色体畸变，最常见的是第1、3、7、9、17和22号染色体的倒位、转座和缺失。核型研究报告证明17p13的缺损具有恶性间皮瘤特异性。由于抑癌基因p53即定位于17号染色体短臂17p13上，p53基因成为石棉相关肿瘤的研究热点。除对抑癌基因p53外，对抑癌基因Rb、p16、NF2、WT1以及癌基因ras、c-fos、c-jun和sis也有较多的研究。在石棉致癌过程中，多种基因发生改变，但未发现石棉致癌具有显著特异的基因突变谱。芬兰学者对数量较大的石棉作业工人的肺癌基因突变特征进行了分析，并与肺组织中石棉纤维数量进行了综合比较，发现在ras家族中，仅有K-ras基因发生了突变，发生突变的肺癌病理类型以腺癌为主。这种规律与非职业肺癌相似。另外，他们注意到肺癌发病率与肺中石棉纤维数量虽有一定相关性，但未见统计学意义。由于多数石棉作业工人具有吸烟史，石棉作业工人肺癌基因突变与单纯吸烟者肺癌基因突变谱难以进行比较。一般认为,石棉与吸烟存在联合致癌作用。华西医科大学曾在动物实验中观察了石棉与苯并(a)芘联合诱发大鼠肺癌时基因点突变的特征。
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自由基在石棉致癌、致纤维化过程中起着重要作用。在前述氧自由基与肺损伤学术会议上，亦有许多有关石棉毒性与自由基作用的研究报告，特别强调石棉与吸烟联合作用可以加剧自由基的生成，进而导致DNA链的断裂和特异碱基的替换。有人提出“粉尘-自由基-细胞因子”是粉尘毒性的作用链，强调细胞因子的介导作用。转化生长因子(TGF-β)、细胞介毒素(IL)、血小板衍生生长因子(PDGF-A)、肿瘤坏死因子(TNF)都被证明在染尘后发生改变。在细胞因子与石英、石棉毒性关系的研究中，Brody认为:在诸多因子中，TNF是最关键的因子，起到引发一系列病理变化的作用。他成功地采用基因敲除技术证明了TNF的核心作用：他用基因敲除技术去掉了动物模型的TNF基因，使它们体内无TNF蛋白表达。然后将正常鼠及TNF基因敲除鼠同时染尘后，比较其纤维化和癌变的各项病理学、生物化学、细胞学及分子生物学指标，初步结果已为其观点提供了支持性数据。
综上所述，对石英和石棉的毒性及机制研究已取得了重要成果，有助于科学、深入地评价石英和石棉的危害并指导尘肺及肺癌的预防与治疗。但石英、石棉致癌及致纤维化的全部机制并不清楚，它们仍旧是今后的研究方向，其中两点是较为活跃的领域：
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1.肺纤维化与癌变的生物学相关性研究:矽肺纤维化、石棉肺纤维化与肺癌、恶性间皮瘤在统计学上显示相关性，然而相关的两个现象并不一定经历同一生物过程。接受石英、石棉粉尘刺激后，机体完全可引发两个独立的生物过程,分别导致肺纤维化和癌变。Egilman明确指出：石棉作业工人患肺癌并不一定伴随肺纤维化，临床和病理分析均无纤维化症状。证明纤维化与癌变间的生物学相关性最令人信服的证据可望来自DNA水平的分子生物学研究。采用差异显示反转录PCR技术、差减杂交技术，可以揭示纤维化与癌变的相关性和(或)独立性。
2.生物标志物研究：矽肺、石棉肺及相关肺癌的鉴别诊断对其预防及临床治疗意义重大，但目前仍缺乏灵敏、特异的检测指标。在1998年5月大连召开的第六次全国劳动卫生与职业病学术会议上，我国学者对生物标志物研究进行了专题讨论，认为生物标志物研究是包括尘肺在内的职业病研究的重要领域，应集中精力为劳动卫生第一线服务，寻找特异、灵敏、适于基层操作的生物标志物。
石英及石棉危害在我国尤为突出，其预防及研究将是一项长期而艰巨的任务。
(收稿：1998-06-09), 百拇医药