Ch.19 Carcinogenesis and Skin 皮膚致癌作用

1. Introduction & Epidemiology（概論與流行病學）

• 2017 年估計美國 invasive melanoma 87,110 例、melanoma in situ 74,680 例。p.310
• BCC 與 SCC 通常不向 cancer registry 通報，沒有精確發生率；依 Medicare 資料，nonmelanoma skin cancer 在 2012 年估計 5,434,193 例（3,315,554 人）。p.310
• BCC + SCC 合計發生率可能至少是所有其他癌症合計的 twofold（兩倍）以上。
• BCC 或 SCC 只有一小部分病人死於癌症，但因數量龐大，估計每年約 2000 人死亡，多數是 SCC；melanoma 死亡率持續上升，估計每年 9730 人。p.310
• 大多數皮膚癌源自日光中 UV 造成的突變；chemical carcinogens、oncogenic viruses 等只佔較小比例。p.310
• BCC 幾乎完全是 Hedgehog pathway–dependent tumor；SCC 似乎依賴較多樣的基因突變與致癌訊號。p.310

2. General Principles（致癌作用基本原則）

• 多數惡性腫瘤是逐步（stepwise）累積多種 genetic 與 epigenetic 變化而形成，SCC 也是如此（normal → actinic keratosis → SCC，Fig. 19-1）。p.310–311
• BCC 是明顯例外：尚未找到 precursor lesion、metastasis 極罕見、單一致癌路徑失控活化可能就足以形成 BCC。p.310
• Hallmarks of cancer（Fig. 19-2）：抗細胞死亡、持續增生訊號、逃避生長抑制、invasion 與 metastasis、replicative immortality、angiogenesis；較新加入 deregulated cellular energetics、immune evasion、genome instability、tumor-promoting inflammation。p.311–312
• 推動腫瘤進展的一個主要力量是 defective DNA repair，使 oncogenes 與 tumor suppressor genes 突變得以累積。p.311
• Fig. 19-1：UV 誘發的 SCC 中，早期病灶的單鹼基突變常帶 UV 特徵，多數事件（e.g. TP53 mutation）發生在進展早期；化學致癌的小鼠模型中多數事件發生在晚期，且常不帶原始致癌物的特徵。p.311

Tumor heterogeneity & cancer stem cells（腫瘤異質性與癌幹細胞）

• Cancer stem cell（tumor-initiating cell）：少數可自我更新的細胞產生 transient-amplifying 與分化的子代；以少量甚至單一細胞移植即可重建腫瘤。此階層組織見於許多（但不是全部）實體腫瘤，SCC 與 BCC 都有描述。p.312–313
• 只殺非幹細胞的治療可能使腫瘤明顯縮小，但最後會因殘存 cancer stem cells 而復發；CSC-targeted therapy 反應可能較慢，但清除 CSC 後不太會復發（Fig. 19-3）。p.312–313
• Intertumor heterogeneity：小鼠模型提示 epidermal basal cell 的 Hedgehog 活化可能產生 superficial BCC，nodular BCC 則可能來自 hair follicle epithelium；同為 nodular BCC，有些惰性、有些長得快。p.313

3. Genetics of Skin Cancer（皮膚癌遺傳學概念）

p.313

• Xeroderma pigmentosum 等光敏感皮膚病發現 DNA repair gene 缺陷，強力支持 DNA 是致癌標的。p.313
• 500 例 metastatic tumors 的基因體分析：12.2% 有意料外的 germline mutation，其中 75% 影響 DNA repair genes。p.313

4. Molecular Basis of BCC（BCC 的分子機轉）

Nevoid BCC syndrome（NBCCS，Gorlin syndrome）

• BCC 發生年齡較輕、數量較多。p.314
• 易發生 cerebellum 的兒童腦瘤 medulloblastoma，以及 bifid ribs、calcified falx cerebri、odontogenic keratocysts、frontal bossing、palmar pits 等全身異常107-14；部分結構異常必在胚胎期形成。p.314
• 病因是 germline mutations 破壞 PTCH1107-14（Hedgehog pathway 關鍵元件）。p.314
• Systemic Hedgehog pathway inhibitors 能有效阻止 Gorlin syndrome 病人產生新的 BCC。p.323
• Gorlin 診斷標準（Table 111-4）中 cleft lip or palate 屬 minor criteria（congenital malformations）；bilamellar calcification of the falx cerebri（if younger than 20 yr）、fused, bifid, or markedly splayed ribs 屬 major criteria107-14（rib anomalies such as bifid or splayed ribs 另列於 minor criteria 的 radiologic abnormalities）。p.1895（ch111）

Hedgehog pathway

• PTCH1 或其他 Hedgehog pathway 元件突變造成路徑失控活化，與 NBCCS 及一般族群的 BCC 都密切相關。p.314
• Deregulated Hedgehog activation 見於幾乎所有 BCC；路徑活化足以形成 BCC，也是維持腫瘤所必需，因此 Hedgehog inhibitors 對相當比例的 advanced 或 metastatic BCC 有效。p.314
• Next-generation sequencing 另發現可能的 driver：MYCN、PPP6C、STK19、LATS1、PIK3CA、RAS；PTPN14、RB1、FBXW7 的 loss-of-function 與 missense mutations；功能意義仍待研究。p.314

McKee 補充

• Gorlin-Goltz syndrome 的 germline mutations：PTCH1（9q22.32）、PTCH2（1p34.1）、SUFU（10q24.32），都在 HH pathway。McKee p.1176（McKee 另寫 PTCH2 與 SUFU 少見得多，much less commonlyMcKee p.1186）
• Sporadic BCC：PTCH1 或 PTCH2 突變約 two-thirds；SUFU 較少（2–5%）；SMO 突變 10%；至少 85% 的 BCC 有 SHH pathway 相關突變；GLI1 在幾乎所有 sporadic BCC 過度表現。McKee p.1176
• 路徑：PTCH 抑制 SMO，SMO 抑制 SUFU，SUFU 抑制 GLI1；SHH 結合 PTCH1 後解除對 SMO 的抑制，進而活化 GLI1。McKee p.1176
• BCC 的 TP53 mutations 見於近 two-thirds；sporadic BCC 的 PTCH1 突變只有 40% 帶 UV signature，暗示 UV 以外還有其他致突變事件。McKee p.1176
• NBCCS 為 autosomal dominant，complete penetrance、variable expressivity；spontaneous germ cell mutation 也佔相當比例；homozygous inactivation 造成 BCC，hemizygous germline mutation 造成先天異常。McKee p.1186
• Ionizing radiation 曾使部分 palmar/plantar pits 轉為高度侵襲性腫瘤，顯示對放射線敏感，是此治療方式的 specific contraindication。McKee p.1187

5. Mutations & Drivers in SCC（SCC 的突變與驅動因子）

• 沒有專門只易發生 cutaneous SCC 的遺傳性癌症症候群，也沒有類似 melanoma 中 mutant BRAF 的高頻 driver。p.314

Three rare inherited syndromes（三種罕見遺傳症候群）

p.314；其他相關 genodermatoses 見 Table 112-1。

Genomic landscape（基因體）

• 小鼠 two-stage chemical carcinogenesis 中，mutated Hras 是主要 driver；到 1991 年（By 1991）已在人類 SCC 找到 TP53 hotspot 突變，帶有歸因於 UV 的 C → T transitions。p.314
• Exome 突變譜以 C → T transitions 與 UV signature mutations 為主，主要是 tumor suppressor genes 失活，高度重複的突變很少。p.314
• 最常突變的 tumor suppressor genes：TP53、CDKN2A、NOTCH family、FAT family、KMT2C/KMT2D、KNSTRN；其他可能的（potential）tumor suppressors 包括 CASP8、CREBBP、CARD11。p.314
• Mutant HRAS 在某一系列中最多達 20%；也有 MYC、EGFR amplification 與 CKS1B、INPP5A loss 的報告。p.314–315
• 與其他部位 SCC 相似：TP53 mutations 在所有 SCC 超過 70%；NOTCH family 突變在 cuSCC 超過 70%、oral HNSCC 20%、lung SCC 13%、esophageal SCC 10%；SOX2 amplification 是常見的 lineage-specific driver。p.315
• Reverse-phase protein array：SCC 進展過程中 ERK 與 mTOR pathway 訊號上調。p.315

Drug-induced SCC（藥物相關 SCC，ERK pathway）

• BRAF inhibitor vemurafenib：約 22% 的 melanoma 病人出現 SCC 或 keratoacanthoma-like lesions；較強效的 dabrafenib、encorafenib 較少見。p.315
• 機轉：wild-type BRAF 背景下 paradoxical MEK/ERK hyperactivation（常合併 mutant HRAS），以及 off-target 抑制 JNK 造成 apoptosis 受抑制；合併 MEK inhibitor 幾乎完全抑制這類 SCC。p.315
• SMO inhibitor vismodegib 長期治療 BCC，偶爾使腫瘤演變為 SCC morphology，伴 drug resistance 與 ERK activation。p.315

McKee 補充

• Cutaneous SCC 的突變數多於多數其他惡性腫瘤，約為 melanoma 的 4 倍，有些 exome 超過 10,000 個突變，但絕大多數不是功能性 driver。McKee p.1201
• 功能性重要突變（盛行率至少 5%）：NOTCH1、PTCH1、TP53、CDKN2A、BRCA2、HRAS、ATM、ERBB4、NF1、TERT promoter 等；p16INK4 與 p14ARF（皆由 CDKN2A 編碼）常失活。McKee p.1201
• CD95（Fas）在 actinically damaged skin 上調，但在 actinic keratoses 與 invasive SCC 明顯下降，使清除受損 keratinocytes 的防禦缺陷。McKee p.1201

6. Photocarcinogenesis（光致癌作用）

• 日光中的 UVR 是所有皮膚癌的 primary etiologic agent，也是人類環境中的主要致癌物；或許是人類惡性腫瘤中最明確的病因。p.315
• UVR 致癌力來自：damage DNA and cause mutations、使存活優勢的早期腫瘤細胞 clonal expansion、誘發 ROS、以及作為 immune suppressant107-50。p.315
• UV 是 complete carcinogen，單靠慢性暴露就足以誘發皮膚癌。p.315
• PUVA（Stern 等人 20 年前瞻追蹤）：SCC 風險超過 100-fold，BCC 超過 11-fold。p.315
• Narrowband UVB 的資料多為回溯性分析，提示沒有增加皮膚癌風險，但追蹤時間較短。p.315

7. UV-Induced DNA Damage, Mutation & Repair（UV 造成的 DNA 傷害、突變與修復）

DNA photoproducts（光產物）

• 日光致癌的第一個分子步驟：UVB photons 誘發 DNA photoproducts107-50。UVB 與 UVC 傾向被 pyrimidines（thymine、cytosine）的 5–6 double bond 吸收。p.315
• Cyclobutane pyrimidine dimer（CPD）：相鄰兩個 pyrimidine 交聯；最常見的是 TT，也會形成 TC、CT、CC112-11。p.315
• Pyrimidine (6–4) pyrimidone photoproduct［(6–4)PP］：最常見為 TC。兩種 photoproducts 都會扭曲 DNA helix，被 DNA repair enzymes 辨識。p.315–316
• 日光中 UVA 是 UVB 的 20-fold，但 UVA 的部分生物效應（如 DNA damage）需要最多 1000-fold 的劑量；skin type II 在 300 nm（UVB）與 360 nm（UVA）的 MED 分別為 25 mJ/cm² 與 32,000 mJ/cm²。p.316
• UVB 在人類皮膚每 J/cm² 誘發每 10⁶ 個正常鹼基 500 個 photolesions。p.316

Fig. 19-4 UVR carcinogenesis（重點數字）

Fig. 19-4，p.316。

• 細胞對 UV 傷害的反應：DNA damage signaling、cell cycle arrest、以 nucleotide excision repair（NER）修復受損 DNA103-20、apoptosis。p.316
• 未修復的 lesion 經 deamination 或 error-prone translesion synthesis 造成突變（含 C→T UV signature）→ dysfunctional tumor suppressors（p53、PTCH 等）→ mutator phenotype（含 apoptosis 抗性）→ clonal expansion → tumor formation107-50；UV 另引起 inflammation、immunosuppression107-50 與 oxidative stress，增強 UV 致癌。p.316
• ch17 另寫正午日光約含 UVA 為 UVB 的 50 times。p.267（ch17）

UV-induced mutations（UV 誘發的突變）

• CPD 造成突變的兩種方式：DNA polymerase 可能把受損 cytosine 當成 thymine、對面放 adenine，下一輪複製變成 C → T；或 CPD 加速其 cytosine 自發 deamination 成 uracil，結果相同。p.316
• TT CPD 雖是最常見的 photoproduct，但 DNA polymerase eta 在受損 T 對面加 A，不造成突變。p.316
• UV signature mutation：C 位於另一個 pyrimidine 旁的 C → T，包含 CC → TT；此模式為 UVR 獨有112-11。p.316
• 實驗中 UVB 或 UVC 造成的突變幾乎都位於相鄰 pyrimidines，約 two thirds 是 signature mutations；其餘 one third 通常是 G → T、T → C 或小片段 insertion/deletion，由 UV 造成但很可能（probably）是經 ROS 間接產生。p.316
• G → T transversion 可由 adenine 插入 8-hydroxy-2′-deoxyguanosine（常見的 oxidative DNA lesion）對面造成；這類 oxidative 突變無法分辨來源是 UVB、UVA、tobacco smoke 或細胞內 oxidative phosphorylation。p.316
• UVA 經 photosensitization 只微弱誘發 UVB signature mutations，但產生 oxidation-like mutations 與 T → G changes，被提出為 UVA fingerprint112-11。p.316

Fig. 19-5，p.317：CPDs 對 UV mutagenesis 最相關（most relevant），主要由 UVB 誘發；(6–4)PP（UVB 誘發）與 8-hydroxy-2′-deoxyguanosine（主要由 UVA 誘發）會致突變但相對少見。圖中 TC CPD 的 C → T 以 error-prone TLS 箭頭表示，圖說則寫 error-free TLS 在 CPD 對面加 adenine，使 cytosine dimers 產生 C → T，亦可來自 deamination。

Dark CPDs（暗 CPD）

• UV 產生的 ROS peroxynitrite 與 melanin 作用，造成 melanin 電子 chemiexcitation，激發電子直接作用於 DNA；UVA 或 UVB 暴露停止數小時後仍持續產生 CPD。p.316
• Dark CPDs 佔 UV 暴露後 melanocytes 中 CPD 的一半以上；提示任何 ROS 來源都可能產生 CPD，也可能提供阻擋 UV 以外的新 chemoprevention 策略。p.316–317

McKee 補充

• UV signature mutations 中最常見的是 pyrimidine dimers 造成的 C > T 或 CC > TT transitions，來自 DNA 的直接光化學反應。McKee p.1355
• 停止照光後數小時突變仍會累積；這些「dark」mutations 不發生在缺乏 melanin 的 albino mice，在 pheomelanin 較多（MC1R mutation）的小鼠為高 eumelanin 者的兩倍（twice as frequent）。McKee p.1355
• UVB 造成 dipyrimidine sites 的 C–T transitions，特別是 CC–TT double base changes，構成 UV damage 的 fingerprint，見於人類 cutaneous SCC 的 TP53。McKee p.1201
• XP 為 autosomal recessive，常在 first decade 發病，excision-repair 缺陷；McKee 寫皮膚癌風險增加 1,000-fold。McKee p.1201
• McKee：UVA 單獨在人類似乎不致突變；但與 photosensitizer 合用（PUVA）時，keratoses 與 invasive SCC 風險呈 dose-dependent 增加，男性尤其侵犯 genitalia；PUVA 相關腫瘤似乎通常預後佳、轉移率低。McKee p.1201
• McKee：(6–4) photoproducts 似乎在 UV mutagenesis 中特別重要。McKee p.1201

8. Mutation Burden & AK Progression（突變負荷與 AK 進展）

• 1996 年起已在 whole-mounted skin 中發現表現 stable（可能突變）p53 的 keratinocyte clones。p.317
• 慢性日曬但臨床與組織學外觀正常的表皮約有 five mutations per megabase，高於許多人類癌症；皮膚癌的突變負荷是人類癌症中最高，可能的例外是 mismatch repair-deficient colon carcinomas。p.317
• TP53 突變雖損害 apoptosis，但需持續 UV 暴露才會表現出選擇優勢而形成擴張的 clones。p.317
• Fig. 19-6：1-cm² 表皮內可見數百個帶有癌症相關基因（NOTCH1–3、FAT1、TP53 等）重複突變的 clones。p.318
• AK 進展為 SCC 的估計：0.6% at 1 year 到 2.6% in 4 years。p.317
• AK 與 SCC 沒有一致的 transcriptional 差異；多數 AK 的分子表現與 well-differentiated invasive SCC 幾乎無法區分，提示針對大量突變之日曬皮膚的 chemoprevention 可能更有效。p.317

9. Viral Carcinogenesis（病毒致癌）

• 病毒相關癌症最多佔所有人類惡性腫瘤 10%；皮膚相關：Kaposi sarcoma、SCC（epidermodysplasia verruciformis 病人與一小部分 immunosuppressed 個體）、Merkel cell carcinoma。p.318
• 感染通常早於癌症許多年，只有少數感染者發生癌症，常在 systemic immunosuppression 或 impaired immune surveillance 背景下；轉形常伴隨病毒 DNA integration 進宿主 genome，病毒無法完成生活史，但 early viral proteins 持續表現。p.318–319

Human papillomaviruses（HPV）

• 超過 200 型，分為 five genera；與癌症最相關的是 alpha 與 beta。p.319
• High-risk alpha HPV（通常 HPV16 或 18）：cervical cancer、多數 anorectal cancers、相當比例 genital 與 oropharyngeal cancers。p.319
• High-risk alpha HPV 的 E6 結合並降解 TP53，E7 結合並降解 RB1。p.319
• Beta HPV：與 epidermodysplasia verruciformis 的 warts 與 SCC 相關，也可能在部分慢性 immunosuppressed 病人的 cutaneous SCC 扮演角色；但皮膚癌中沒有病毒 transcripts 的證據，表示維持腫瘤不需要 beta HPV（hit-and-run 假說仍相容但難證實）。p.319
• Beta HPV 機轉：deficient double-strand DNA repair、impaired apoptosis、disrupted epithelial differentiation、altered NOTCH 與 TGF-β signaling。p.319

Human polyomaviruses（PyV）

• BKPyV：posttransplant nephropathy、hemorrhagic cystitis；JCPyV：progressive multifocal leukoencephalopathy。p.319
• HPyV6、HPyV7：pruritic and dyskeratotic dermatoses；TSPyV：trichodysplasia spinulosa；幾乎都在 immunosuppressed hosts、伴 productive infection。p.319
• MCPyV 見於約 80% 的 Merkel cell carcinoma，病毒 DNA clonally integrated。p.319
• SV40 以 large T antigen（LTAg）破壞 TP53 與 RB1 為主要轉形機轉；MCPyV 似乎相反，small T antigen（sTAg）似乎是 in vitro 與 in vivo 的主要 oncogenic driver。p.319–320

Table 19-1，p.319。

10. Chemical Carcinogenesis（化學致癌）

• 化學物只造成相對小比例的人類皮膚癌。1775 年 Sir Percivall Pott 把 chimney sweeps 的 scrotal cancer 歸因於 soot：第一個職業暴露與癌症的連結，也是第一個 chemical carcinogenesis 例子。p.320
• NTP 第 14 版 Report on Carcinogens（2016）列 248 種：known 62、reasonably anticipated 186。p.320
• 尚未列入，但 antifungal voriconazole 與 immunosuppressed 病人 SCC 增加相關。p.320

Table 19-2，p.320（Known human skin carcinogens）。

11. Other Carcinogenic Stimuli（其他致癌刺激）

Ionizing radiation（游離輻射）

• IR 相關的皮膚癌超額風險幾乎只限於 BCC：atomic bomb survivors、radiologists、miners、因 tinea capitis 接受治療的兒童。p.320
• 兒童期暴露與 BCC 風險顯著增加相關，latency 超過 20 years，尤其是膚色白皙者，提示 UV 與 IR 交互作用。p.320
• Pilots 暴露 cosmic IR：BCC 風險 3-fold、melanoma 3.5-fold。p.320

Chronic wounds — Marjolin ulcer

• 發生在 chronic ulcers 或 scars 的皮膚癌，最常由 burns 造成，最常位於 lower extremities 與 scalp。p.320–321
• 超過 77% 與 burns 相關；近 90% 是 SCC；從受傷到腫瘤平均 37 years。p.321
• 這些 SCC 高度侵襲：nodal involvement 超過 30%，distant metastases 超過 11%。p.321

12. Animal Models（動物模型）

SCC mouse models

• Hras oncogene 表現在 interfollicular epidermis 只形成 benign papillomas（需 wounding 或 tumor promoter）；表現在含 stem cells 的 hair follicle epithelia 則自發形成 SCC。p.321
• Epidermis 同時失活 Rb1 與 Trp53 即足以誘發 SCC，與 high-risk HPV E6/E7 可在皮膚造成 SCC 一致。p.321
• 只在 mesenchymal cells（含 dermal fibroblasts）缺乏 Notch 訊號元件 CSL 的小鼠，不需 initiating 或 promoting agent 即自發 multifocal SCC。p.321

BCC mouse models & cell of origin（細胞來源）

• 表現 Hedgehog activators（SHH、SMO、GLI1、GLI2）或刪除 repressors（PTCH1、SUFU）都可穩定產生 BCC 或 BCC-like tumors。p.321
• 過去推論 BCC 來自 hair follicle：早期 BCC 像 embryonic hair germs、持續表現 outer root sheath marker keratin 17、無毛囊的 palmar/plantar skin 沒有典型 BCC；SCC 會角化成 squames，故推論較可能來自 epidermis。p.322
• BCC cell of origin 的小鼠研究結果有部分衝突：早期研究顯示 BCC 優先來自 interfollicular epidermis 或傷口後移入表皮的 hair follicle stem cells；後續用不同 oncogenic driver 的研究顯示 superficial BCC 來自 interfollicular epidermis、nodular 來自 hair follicle epithelia；Hedgehog 訊號低量產生 basaloid hamartomas，高量產生 nodular tumors。p.322
• Hair follicle stem cells 對 oncogenic Kras + Trp53 deletion 誘發的 invasive SCC 似乎特別敏感（進展為 spindle cell morphology）；transiently amplifying hair matrix cells 完全抗拒；telogen（靜止期）時大致抗拒。p.322

Chemical（DMBA/TPA）& UV models

• DMBA 造成 activating Hras mutations，最常在 Q61（頻率超過 90%），再反覆塗 tumor promoter（最常為 phorbol ester TPA）。p.322
• 與人類 SCC 的重要差異：此模型 ras 突變早、Trp53 突變晚；人類 TP53 突變很早發生，RAS 突變較少見。p.322
• UV 模型最常用 immunocompetent Hairless mouse（缺功能性 Hr gene）；就腫瘤後天突變而言比 DMBA/TPA 模型更接近人類；SENCAR strain 是最敏感者之一。p.323
• UV 模型 Trp53 突變早發；18 例 SCC 的 median 為 155 mutations per megabase；ras 突變相對罕見。p.323

13. Treatment & Prevention（治療與預防）

• 降低癌症相關罹病與死亡最有效的方法是預防；限制日光與 tanning beds 等 UV 暴露可能大幅影響皮膚腫瘤發生；美國幾乎所有州限制未成年人使用 tanning beds。p.323
• Nicotinamide phase 3 隨機試驗（高風險病人）：BCC 與 SCC 分別減少 20% 與 30%（書中寫 at 3 months），actinic keratoses 少 11%。p.323
• Systemic Hedgehog pathway inhibition 可有效治療 locally advanced 或 metastatic BCC，但副作用常見、可能產生抗藥性、停藥後腫瘤可能復發；也能阻止 Gorlin syndrome 病人產生新的 BCC。p.323
• 有效的 topical Hedgehog inhibitor 規律使用可能用於高風險病人的 BCC 預防；SCC 牽涉多種致癌變化，單一 targeted therapeutic 似乎不太可能同樣用於預防 SCC。p.323
• UV-driven preclinical model 中 MEK inhibition 有強力治療與 chemopreventive 效果。p.315