偶氮染料與癌症

緒論

　　偶氮化合物(Azo Compounds)是人工化成的化學品，由於主要用作染料，其分子構造上有兩個互相以雙鍵相銜接的氮原子，因此被稱為偶氮染料(Azo Dye) (圖一) 。

圖一、偶氮染料的化學構造及用途

　　人類大量使用人工合成的偶氮染料已有一百多年的歷史。無論是紡織品、食品、飲料、藥物、化裝品、塑膠、紙張、皮革、印刷墨水、粉刷劑、漆料、油漆及木材產品都用到偶氮染料。偶氮染料也是化學工業的重要原料。全球生產的偶氮染料有三千多種，常用的有兩百多種，佔所有色素工業之百分之五十以上。不僅帶給我們燦爛的色彩，是化工產業不可或缺的一環。有些還可作為藥劑。例如一種黃胺藥(Sulfur drug)叫「百浪多息」(Prontosil)就是一種偶氮染料。在抗生素還未廣泛使用之前，黃胺藥是治療肺炎和其他感染疾病的主要藥物。至今黃胺藥還是藥物工業的重要一環。

　　偶氮染料既然能作藥用，就表示具有生物活性，也就是說可能有毒。偶氮染料很早就被懷疑是一種職業病－膀胱癌(Bladder Cancer)之病因。許多早年化學工廠中與偶氮染料有直接接觸的工人，後來都得了膀胱癌。由以後之研究，才發現這是因為有些偶氮染料的分子成份是很強的「致癌劑」(Carcinogens)的緣故。

　　偶氮染料依其對水的溶解度可以分為兩類。第一類是不溶於水的，也就是脂溶性的(Lipophilic) 。此類染料經由污染了的食物，水或飲料進入人體後。立刻被吸收至肝臟中。肝臟有一些偶氮還原酶(Azo Reductase)可以有限度的將偶氮染料還原分解為芳香族胺(Aromatic Amine)。但大部分的偶氮染料仍保持原狀未被分解。這一類的偶氮染料本身就有致癌性(Carcinogenicity)，其分解產物－芳香族胺的致癌性反而減低了。所以率先研究偶氮染料之致癌性的米勒教授(Dr. Jame Miller)認為偶氮染料之偶氮還原作用(Azo Reduction)是一種「去毒化作用」(Detoxification)。他所使用的例子是奶油黃(Butter Yellow) 。奶油黃是很強的致癌劑，將奶油黃餵食實驗動物，很快的會產生肝癌腫瘤。在1918年，美國的食品藥物檢驗局(Food and Drug Administration)(FDA)，遂將奶油黃核准為合法的食品添加物，主要是可以加入奶油以增加其鮮明的顏色，但當年就被發現其致癌性，立刻被禁止了。另外一個例子是蘇丹紅(Sudan Red)，也是致癌劑，現已全面禁止了。如果我們檢驗美國食品藥物檢驗局所審核之食品添加物的歷史，就不難發現曾經有不少的食品添加物，包括若干的偶氮染料在內，是由於被發現有致癌性方被禁止的。有些資訊比較不發達的國家，或有些不肖商人，或仍有使用不合法且有毒性的食品添加物的。

　　第二類偶氮染料是水溶性的(Hydrophilic) 。它進入人體之後，直接進入胃腸消化系統。因為進入腸胃系統，如果不被吸收，便會直接排放出來，所以被認為是很安全的。但是這個觀念並不正確。因為人體的腸道含有很多很久的微生物，其中有不少的微生物具有很強的偶氮還原酶。偶氮還原酶會將偶氮染料分解成芳香族胺(Aromatic Amines)(圖二)(表一)。

圖二、偶氮染料的偶氮還原作用

表一、偶氮染料經偶氮還原作用後之主要產物

　　這些芳香族胺會經由血液循環系統輸送至肝臟。我們日用的食物、飲料、藥物或其他生活上的因素會影響腸內微生物的族羣的種類和數目。具有偶氮還原酶之微生物之族羣的數目及偶氮還原酶的活性也受到這些因素所影響(表二)。

　　一般來說，具有高活性的偶氮還原酶的微生物，不是對健康有利的。體內微生物族羣(或稱為微生物相)對人體健康有密切的關係。由於篇幅有限，本文暫且不詳細討論這個問題。

　　美國食品藥物檢驗局(FDA)目前核准使用的食品添加物中，偶染染料有三種：紅色四十號(Allura Red)，黃色五號(Tartrazine)，黃色六號(Sunset Yellow) 。臺灣則除了上述三種外，還使用New Coccine。其他主要國家所核准使用的偶氮染料列於表三。

表三　其他主要國家所核准使用的偶氮染料

　　這些都是水溶性的。我們常喝的飲料，和藥物表面的薄膜，除了天然色素外，人工色素就是指這些偶氮染料了。

　　由於偶氮染料被廣泛的使用，我們有很多的機會與之密切接觸，甚至進入我們人體。因此它對於人體健康的關係，我們不得不關切。筆者自1976年起，仍在美國國立癌症研究的附屬單位菲德列克癌症研究中心(Frederick Cancer Research Center)工作的時候，便展開對偶氮染料的致癌性作系統的研究。

偶氮還原在毒理學上的顯著性

　　前面已經提過，肝臟中含有活性很低的偶氮還原酶，會將脂溶性的分子量小的偶氮染料分解為芳香族胺。米勒教授(Dr. Jame Miller)將這種肝臟的偶氮還原酶稱為「去毒化作用」。這種說法只是針對少數有致癌性，脂溶性之偶氮染料而已。對多數的水溶性的偶氮染料則並不正確。相反的，對於大分子的水溶性的偶氮染料，偶氮還原酶的作用反而是「代謝活化」(Metabolic Activation)作用。因為這一類的偶氮染料本身並沒有致癌性(或其他生物活性，但是經過腸內細菌分解後，變成了芬香族胺(Aromatic Amines) 。有些芳香族胺倒是致癌劑。作者以突變性(突變劑常是致癌劑，許多致癌劑也是突變劑)作為指標，測試很多種偶氮染料，發現偶氮染料本身沒有突變性，但是微生物偶氮還原酶分解後的產物則有很強的突變性。世界上有許多國家的科學實驗室也紛紛應證了作者的論點。如今科學界也廣泛地接受偶氮還原作用是「代謝活化」作用，對偶氮染料的安全性又重新再作評估與研究。

化學構造與生物活性(致癌性)的關係：

　　雖然作者首先提出偶氮還原作用在毒理學上的「代謝活化」(Metabolic Activation)作用。但不是所有的偶氮染料都如此。有些偶氮染料本身或是其分解產物芳香族胺，都沒有致癌性、突變性或其他毒性。這就是安全的偶氮染料，可以放心使用的。作者發現只有偶氮染料的分子結構中含有聯苯胺(Benzidine)或P-phenylenediamine的才會因偶氮還原酶之分解而產生有突變性或致癌性的芳香族胺。而這有突變性或致癌性的芳香族胺就是聯苯胺或P-phenylenediamine。也就是說聯苯胺和P-phenylenediamine是突變性或致變性的決定者(Mutagenic or Carcinogenic determinants)。

　　聯苯胺現在是全世界所公認的致癌劑，是人類膀胱癌之主要禍首之一，也是先前被懷疑造成職業病(膀胱癌)之元兇。不僅如此，吃到腸胃或由偶氮染料分解出來的聯苯胺還會被腸內微生物去胺基化而形成4-Aminobiphenyl(4AB)。4-AB也是一種很強的致癌劑，不僅會產生膀胱癌，在實驗動物身上，還會引起各種各樣的癌症。4-AB也存在於香菸的煙霧中，家庭廚房的油煙中，也在汽車排放出來的廢氣中。它無疑是人類肺癌和其他癌症之禍首之一。

　　 P-phenylenediamine也會在實驗動物身上產生癌症。作者不敢確定它是否會引起人類的膀胱癌，但可能性是很高的。P-phenylenediamine是染髮劑中的主要成份。許多P-phenylenediamine的衍生物(Derivatives)也用在染髮工業上(表四)。

表四、染髮劑之主成分

染髮的過程還要與其他成份相結合(Coupling)(表五)。

表五、染髮所使用的coupler及最後的顏色

　　也要與氧化劑雙氧水(H₂O₂)作用。這些過程會產生突變性強的產物。雖然染髮過程只在頭髮上作短暫的接觸，據估計有百分之一的成分會被吸收進入人體。這些有突變性(致癌性)的化合物進入膀胱，造成膀胱癌是極有可能的。流行病學方面的調查也指出經常染髮的人，其患膀胱癌的可能性比一般不染髮的人高出好多倍。

　　不僅如此，如果在聯苯胺或P-phenylenediamine的分子構造加上其他機能性的構造(Functional group)，例如胺基(Amino group)、硝基(Nitro-group)、亞硫酸基(S0₃ group)、甲基(Methyl group)、鹵基(Halogen group)則會嚴重的影響其突變性的強度，有些會增強，有些則會減弱。這些代表性的機能性構造之影響列於(圖三和四)。

圖三、影響P-Phenylene diamine突變性的Functional Groups

圖四、影嚮聯苯胺突變性的Functional Groups

　　這些資訊對偶氮染料工業有很大的影響。因為我們便可以利用這些知識去合成毒性較低但仍能保持原有特性(如色澤、染色性等)以取代有毒或有致變性的偶氮染料。這就是現代化學工業發展的趨勢，也就是所謂綠色的化學。同時也因為對分子構造與生物活性相互之間的關係之瞭解，增進我們對化學致癌作用的瞭解與探討。也可能對癌症的治療方針，提出線索。

芳香族胺致癌作用分子機理的探討

　　既然聯苯胺和P-phenylenediamine是偶氮染料致癌之主要分子成份(Molecular moieties)，那麼探討聯苯胺和P-phenylenediamine之致癌過程的分子機理，便是研究致癌作用之主要課題了。

　　既然這些芳香族胺會傳送到肝臟，為甚麼不引發肝癌而引發膀胱癌呢？原來肝臟有一種代謝活化酶叫Cytochrome-P450。這種代謝活化酶會將芳香族胺氧化(在胺基的氮原子上接一個-OH group)。氧化之後的芳香族胺叫N-hydroxylaromatic amine，立即與另一種化合物叫Glucuronide結合(經由Glucuronidase酶)形成一種共軛體叫aromatic amine glucuronide conjugate。這種共軛體立即被吸入血液循環系統(像被真空器抽進去一樣)而運輸至腎臟，經過腎臟的過濾進入膀胱尿液中。酸性的尿液會將此共軛體解體，還原成氧化的aromatic amine。氧化的芳香族胺還會還原成原有的芳香族胺。也就是說芳香族胺會堆積在尿液中。

　　在尿液中之芳香族胺又會被膀胱細胞吸收，膀胱細胞中含有另一種形態的Cytochrome-P450活化酶，將芳香族胺代謝活化，活化後的分子與膀胱細胞之DNA形成結合體(DNA-adducts)。這種adduct如果不能有效地排除，就會造成突變，再經過複雜的突變、病變，各種生物化學的變化，最後形成膀胱癌。

　　所以芳香族胺在肝臟中停留一段短暫的時間，但來不及產生劇大的突變，所以這類芳香族胺所引發的癌症主要在膀胱而不是肝臟。但前述脂溶性的偶氮染料則不是如此的。它會在肝臟中被代謝活化而停留在肝臟中繼續造成突變、病變。

　　作者更進一步發現嗜機性感染膀胱的微生物如綠膿菌(Pseudomonas aeruginosa)(健康的人，尿液應是無菌的。如有微生物感染，尿液會呈混濁狀，如不治療，即會產生膀胱炎。)也含有Cytochrome-P450代謝活化酶，能將芳香族胺代謝活代而與膀胱細胞的DNA結合，造成突變。這種發現說明了為甚麼膀胱癌病患總是先前有長期膀胱炎或膀胱感染的病史。所以膀胱炎(Cystitis)或膀胱感染是膀胱癌的助長因子。

　　芳香族胺的代謝活化也可能由另外種途徑。因為芳香族胺進入體內，對體內細胞來說，被認為是一種異物(Xenobiotics)。這種異物分子(含胺group及有雙鍵)很容易接受電子，尤其從呼吸作用(Aerobic Respiration)中之電子傳導系統中之電子供應者(NADH or NADPH from electron transport chain)所提供之電子而變成了帶有額外電子的化合物。這種帶有額外電子的化合物與氧氣(O₂)形成超氧自由基(reactive superoxide free radical)(O₂^-●)。這超氧自由基經過一種酶叫Superoxide Dismuttase 形成了過氧化氫(H₂O₂)。過氧化氫與細胞內的鐵離子(或銅離子)經過一個叫Fenton Reaction又產生了氫氧化自由基(Hydroxy free radical)(oh^-●)。這些自由基(free radicals)的活性極強，又像鏈鎖似的不斷產生，造成了體內氧化還原狀態的不平衡。這些自由基又會攻擊DNA、RNA，造成傷害，甚至染色體(chromosome)的斷裂(Breaks)；破壞蛋白質的構造與活性；誘發油脂類的過氧化(Lipid peroxidation)。這是一種沒完沒了的破壞作用。當然體內會有各種修補作用及各種抗氧化劑(Antioxidants)來清掃這些自由基。如果體內沒有足夠的抗氧化劑或修補酶，這些自由基便會不斷地傷害細胞，造成老化，或是其他退化性疾病，甚至腫瘤。當然化學致癌作用是很複雜的現象。自由基的誘發雖然被認為是一種基本的機理，其詳細的生化過程，遠需要更深一步的研究。

抗突變研究的努力

　　雖然化學致癌作用的整個過程，甚至整個基本機理，還未完全明瞭，但是科學界一致認為化學致癌作用有三個基本步驟(圖五)。

圖五、化學致癌作用的步驟

　　第一個步驟是激發(Initiation)。這個作用之主要功用是使細胞不再會分化(Differentiation)，但保有繁殖分裂之調節。是一個不可逆的反應。可能是一種基因的突變，或者非基因(epigenetic)的重大變故，改變了原致癌基因(protooncogene)或致癌控制基因(Suppressor gene)之表現。能造成激發作用的因子叫激發劑(initiator)。第二個步驟叫促進作用(Promotion)。也就是被激發的細胞會不斷的增殖但不分化，生化特性也不斷地改變使與原來之正常細胞不一樣，形成族群的擴充(clonal expansion)。會造成促進作用的物質叫促進劑(Promoter)。一般所說的致癌劑，有的只能作激發劑，仍需促進劑來促進癌的發展。有的則兼具促進與激發作用。兼具兩種作用的致癌劑，我們稱之為完全致癌劑。第三個步驟叫精進(Progression)是一個自主性增殖，不受外面促進劑之影響。它可能與突變有關。目前我們對第三個步驟瞭解甚少。這三個步驟都可能牽涉到突變作用。所以如果能夠防止突變，可能是預防癌症的重要策略。基於這種理由，作者也做了一些抗突變性之研究。

　有不少報導說我們食用的蔬菜、水果或中醫師所使用的中藥材可以防癌是因為含有抗癌物質。其中常被提及的是多酚類。多酚類(Polyphenols)是很好的抗氧化劑，還可以清除高活性的自由基(Scavenger of Free Radicals)。作者測試了二十多種常見的多酚類之抗聯苯胺之突變性，發現多數的多酚類有抗突變性，但也有少數的多酚類不僅沒有抗突變性，本身還是突變劑。例如Quercetin是常見的多酚類，是很強的突變劑。而驚奇的是與它化學構造極為相似的Taxifolin，則是很強的抗突變劑。這兩個化合物的化學構造，只差一個雙鍵(Double bond)(圖六)。

圖六

　　化學構造上的些微差異，但在生物活性上則有巨大的差異。可見在抗突變性這方面的研究，還得繼續努力。我們必須釐清各種多酚類，包括各種中藥中之化學成分與化學構造，及其各種生物活性如突變性，抗突變性或其它活性，深入瞭解其作用機理，這樣我們才有確切的把握其在醫藥健康上的應用價值。

偶氮染料與其他疾病

　偶氮染料可說除了食物以外，與人體最密切的一種異物。它不僅與人直接接觸，而且進入人體。雖然偶氮染料所造成的癌症，只有膀胱癌，但也可能引起其他器官的腫瘤。只是其他器官的腫瘤，都有其他更重要的原因，因此可能由偶氮染料所引起的原因被煙沒了。例如肝腫瘤，目前認為最主要的因素是B型肝炎和黃麴毒素。但前面已經提過，奶油黃也會引起肝瘤腫。肺癌，主要原因是抽煙，煙霧中也有由偶氮染料所代謝產生的芳香族胺啊!又如血癌(Leukemia)，會不會與偶氮染料有關?因為偶氮染料的代謝產物是經過血液循環系統所運輸的。又如近年來自動免疫性疾病(Autoimmune Diseases)逐漸增加。其中有一種叫紅斑性狼瘡(Lupus)。還有藥物性引發的狼瘡(Drug Induced Lupus)。能夠引發狼瘡的藥物的化學構造與芳香族胺非常相似，都具有胺基。尤有甚者，這些引發狼瘡的藥物都需要代謝活化(Metabolic activation)，而代謝活化的酶和途徑也與芳香族胺代謝活化的酶和途徑相似。筆者推論這些引發狼瘡的藥物，被代謝活化之後，與體內細胞之DNA，形成某種程度的吸引而改變了DNA原來的立體構造。DNA由穩定的“B”態變成了不穩定的“Z”態。由於Z態的DNA是不正常的，細胞將之誤認為異物，當作是外來入侵的抗原(Antigen)而引發細胞的免疫系統之啟動，製造了抗體(Antibody)與這“Z”態的DNA結合。這種結合變成了沉澱，堆積在血管或關節之中，在皮膚上形成紅斑，所以稱為紅斑性狼瘡(Lupus Erythema)。沉澱在關節就會產生酸痛像關節炎樣。當藥物停止使用之後，這些抗體-抗原的沉澱會被體內之新陳代謝所清除。如此狼瘡也消失了。如果再使用藥物，則狼瘡又會復發，造成病人的困擾。所以狼瘡實際上就是藥物和它的代謝物在體內之不當堆積所致。

　由此看來，芳香族胺(由偶氮染料之代謝產生的)會不會造成狼瘡?經常染髮或從事染髮工作的人，其狼瘡的患率是否比一般人為高?這是很值得去調查研究的。其他的自動免疫性疾病是否也是因為長期接觸這些偶氮染料和其代謝物有關?又如氣喘，也是一種免疫性疾病。偶氮染料及其代謝產物會不會是一種敏感源(Immunogen)?我們必須記住偶氮染料所產生的芳香族胺和體內正常新陳代謝之正常胺類，在化學構造上有相似之處，所以引起正常細胞之誤會而造成誤會的反應，是有可能的

偶氮染料的污染

　偶氮染料工廠、色素工廠、染織、紡織工廠等排放大量的廢水於水溪河川中。偶氮染料很快的會被環境中的微生物還原分解成芳香族胺。這些芳香族胺是不易再被進一步分解的化合物(Recalcitrant compounds)。有百分之五十以上的芳香族胺保持原狀，存在於河川、土壤中。是一種很嚴重的污染源。污染了水源與土壤。再經由食物鏈，即植物、動物的吸收，又會再進入人體。

聯苯胺在美國是被禁止製造的，但是仍大量進口使用。含有聯苯胺的染料也仍在使用。P-Phenylenediamine及其衍生物，在化妝品工業大量使用。從事染髮工作的人有很多機會與這些染料或其代謝物直接接觸的。

　所以我們要規範偶氮染料的使用，加強職業工作的安全保護措施，研究與強化偶氮染料污染的處理。同時也要對偶氮染料可能引起的疾病加強研究。

　偶氮染料的使用必須限於工廠之內，使用完了之後，應於銷毀，不可外流，不可任其排放於廢水、小溪或河川湖泊之中。對必須或可能直接接觸的工人，必須有相當的措施，令其接觸的機會降到最低。從事染髮或其他有關之美容工作者，除了本身之保護之外，染髮過的廢水必須將染髮劑完全分解才可排放至廢水系統中。筆者相信這一點目前有相當的困難。因為這些化合物是不會自動分解的。所以這一方面的研究，開發有效的化學分解或生物分解的方法是首要工作。務必將這些對人體有害的污染物完全分解礦化(Mineralization)才可排放廢水、小溪或河川。這是化妝工業、偶氮染料工業的挑戰，也是環保工作的重要課題。

　當然對偶氮染料及其代謝產物產生癌症及其他疾病的機理的研究，仍待加強。惟有深切的瞭解，對癌症的治療與預防都會有助益。

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