Development gone awry: Fetal exposure to bisphenol A and cancer

會議／場次： ENDO 2026／SY54
短講： SY54-04｜Development gone awry: Fetal exposure to bisphenol A and cancer
講者： Ana M. Soto, MD

整理稿

演講背景與環境干擾物歷史脈絡

本場演講由美國塔夫茨大學醫學院（Tufts University School of Medicine）教授暨法國巴黎高等師範學院 Cavaillès 中心（Centre Cavaillès, École Normale Supérieure）學者 Ana M. Soto 醫師主講（主標題頁並引用 K. Ashevak 1999 年的藝術作品《Into the Light》，演講時間為 2026 年 6 月 15 日；講者聲明無相關財務利益衝突需揭露），探討胚胎期暴露於雙酚 A（bisphenol A, BPA）對個體器官發育及後續乳腺癌症發生率的長期影響。

講者首先回顧了環境干擾物研究與其個人學術生涯的歷史交會：

1987 年的突破：講者研究團隊發現，實驗室塑膠耗材會釋放出一種具雌激素活性（estrogenic）的抗氧化劑——壬基酚（nonylphenol），進而污染實驗細胞培養。這是人類歷史上首次發現具有雌激素效應的塑膠化合物（plastic estrogen）。這項發現驗證了 Theo Colborn 博士早前在北美五大湖區（Great Lakes）野生動物調查中所提出的疑慮：儘管當時已有法規禁用法規列管的雌激素化學農藥與多氯聯苯（polychlorinated biphenyls, PCBs），但環境中仍存在大量未受監管的雌激素化合物，持續誘發野生動物畸形。
1991 年 Wingspread 會議：被尊稱為「內分泌干擾物之母」的 Theo Colborn 博士召集了歷史性的 Wingspread 會議，會中明確標示出多種內分泌作用靶點，並首次正式確立了「內分泌干擾物（endocrine-disrupting chemicals, EDCs）」這一學術名詞。會後，Theo Colborn、Fred vom Saal 與 Ana M. Soto 共同撰寫了開創內分泌干擾物研究先河的奠基文獻。
生態發育生物學（Eco-devo）的啟發：隨著環境發育生物學（environmental developmental biology, eco-devo）的興起，傳統認為發育完全由固定「發育程式（developmental program）」決定的觀念受到挑戰。講者從生態發育生物學的角度重新審視腫瘤學，進而提出了癌症新理論——「組織組織化場理論（tissue organization field theory, TOFT）」。

癌症理論的轉變：組織組織化場理論（TOFT）

講者強調，必須重新省思「新生物（neoplasm/腫瘤）」的本質。在比較大鼠正常乳腺組織與化學致癌物誘發的腫瘤結構時可以發現，癌症絕不僅僅是單純的細胞增殖，而是整個組織結構發生了徹底翻轉：

腫瘤的臨床診斷基準：新生物的核心特徵在於組織結構的改變（altered tissue organization）與細胞過度累積。臨床上，腫瘤的診斷完全由病理學家在光學顯微鏡下觀察組織架構而確立，無法單憑基因轉錄組（transcriptome）等分子數據即下診斷。
基質與上皮的雙向互動：在正常乳腺及多數器官的發育過程中，組織基質（stroma）對上皮（epithelium）的形狀與結構具有決定性的引導作用。傳統癌症體細胞突變理論（somatic mutation theory, SMT）認為是癌細胞招募並轉化了基質；但組織組織化場理論（TOFT）則主張基質才是誘發實質細胞（parenchyma）發生重大改變的主導者。儘管兩者之間存在雙向訊號傳遞（reciprocal interactions），但基質具有關鍵的形態形成（formative）主導力。

TOFT 將癌症視為「發育走向歧途（development gone awry）」的結果：

形態發生場（Morphogenetic field）：當致癌物作用於生物體時，其主要作用標的是組織等級（tissue level）的基質，進而破壞基質與上皮之間的雙向相互作用，使上皮細胞脫離組織約束，歷經增生（hyperplasia）、發育異常（dysplasia）最終演變成腫瘤（neoplasia）。
細胞的預設狀態（Default state）：從單細胞細菌到多細胞後生動物（metazoa），所有細胞的預設/構成狀態（constitutive state）皆為具變異性與游走能力的持續增殖（proliferation with variation and motility）。這是一項基本原理，無須加以證明；科學界真正需要解釋的是組織如何透過限制機制（constraints）去約束這個預設增殖狀態。
理論預測：若 TOFT 成立，則上皮細胞內的基因突變並非誘發癌症的必要或決定性因素；且腫瘤表型應具有可逆性（reversibility）。

組織基質與上皮相互作用的實驗驗證

為了驗證 TOFT 的預測，講者團隊設計了一系列組織重組（tissue recombination）實驗：

1. 化學致癌物暴露實驗

研究團隊分離了大鼠乳腺的基質與上皮組織，並使用半衰期極短的化學致癌物 $N$ -nitroso- $N$ -methylurea（NMU）進行體外短暫暴露處理，洗滌去除藥物後再將基質與上皮重組植入體內，觀察腫瘤發生率：

正對照組（整體動物注射 NMU）：腫瘤發生率為 100%。
負對照組（整體動物注射溶劑 vehicle）：腫瘤發生率為 0%。
重組組別 1（NMU 暴露基質 + 未暴露上皮）：腫瘤發生率高達 80%。
重組組別 2（NMU 暴露基質 + NMU 暴露上皮）：腫瘤發生率同樣為 80%。
重組組別 3（未暴露基質 + NMU 暴露上皮）：腫瘤發生率為 0%。
重組組別 4（未暴露基質 + 未暴露上皮）：腫瘤發生率為 0%。

這項實驗直接證明：致癌物的靶組織是基質，而非上皮。單獨將上皮暴露於致癌物中，若結合未受暴露的正常基質，完全不會產生腫瘤。

實驗處置組合	腫瘤發生率 (%)
正對照組 (In vivo NMU)	100%
重組組別 1 (暴露基質 + 未暴露上皮)	80%
重組組別 2 (暴露基質 + 暴露上皮)	80%
重組組別 3 (未暴露基質 + 暴露上皮)	0%
負對照組 / 重組組別 4 (未暴露基質 + 未暴露上皮)	0%

2. 癌細胞表型可逆性實驗

研究團隊從乳腺腺癌（mammary adenocarcinoma）中分離出腫瘤細胞，並將其移植回無上皮脂肪墊（clear fat pads，即完全切除原生上皮的乳腺脂肪組織）中。受體大鼠年齡涵蓋青春期前（24 天）、青春期後不久（52 天）、80 天、150 天及兩次產仔（twice parous）的大鼠：

結果：在所有年齡組別中，分離自腺癌的細胞在結合正常基質後，皆能重新發育出結構正常的乳腺管（normal ducts）。若讓受體動物懷孕，這些源自癌細胞的導管甚至能正常分泌乳汁。
年齡效應：雖然在較年輕的受體動物（如 24 天、52 天）中仍有部分會形成腫瘤，但隨著受體動物年齡增長與基質成熟，腫瘤發生率顯著下降。目前國際已有約 50 篇獨立研究證實，將腫瘤上皮細胞置於適當的基質環境中可使其恢復正常（normalization）。

胚胎期 Bisphenol A 暴露與乳腺癌致病機制

在確立基質為主導標的後，研究團隊進一步探討環境內分泌干擾物 Bisphenol A (BPA) 的致癌機制。BPA 屬於完全致癌物（complete carcinogen），其胚胎期暴露致癌效應也在美國 FDA 執行的 CLARITY-BPA 聯合研究中獲得證實（講者與 Gail Prins 博士均參與該大型計畫）。

實驗策略與作用時序

BPA 的生物半衰期約為 24 小時，研究團隊在胚胎期及出生時給予暴露，出生後即終止給藥。隨後追蹤從新生期至成年期腫瘤形成過程中的動態變化：

病理病變的持續存在：在出生後 30 天與 90 天觀察發現，胚胎期暴露於 BPA（不同劑量）的大鼠，其乳腺導管內增生（intraductal hyperplasia）發生率持續維持高檔；相較之下，對照組動物隨年齡增長其異常增生會逐漸消退。此外，暴露組亦觀察到原位癌（carcinoma in situ, CIS），若繼續觀察至更長時間，BPA 組會發展出肉眼可見或可觸及的實體腺癌（adenocarcinoma）。
生後 1 個月（30 天）時的早期發育異常：
- 導管伸長受阻：以淋巴結（lymph node）作為發育位置標記，量測上皮侵入基質的距離。暴露於 $200\text{ ng/kg}$ BPA 的動物，其導管生長速度顯著慢於對照組。
- 導管管腔化細胞凋亡抑制：正常對照組在導管中央會發生大量細胞死亡（cell death/apoptosis），以形成空心的管腔（lumen）；然而暴露於 BPA 的動物，中央細胞死亡幾乎消失，導致管腔形成速度較對照組延緩。
- 黃體酮受體（PR）提前表達：BPA 組的上皮細胞在早期即大量表達黃體酮受體（progesterone receptor, PR），並聚集形成特定的細胞叢（clusters），這些位置被認為是日後側向分枝（lateral branching）發育的預定點。
生後 4 個月（90 天）的形態變化： BPA 暴露組展現出顯著過度的側向分枝以及腺泡（acini）結構的出現。

發育階段 / 時點	發育與病理轉變特徵
胚胎期 (GD14–birth)	BPA 作用於未成熟基質/中胚層，下調 Tenascin-C 蛋白與轉錄組表現，上調 PPAR-gamma 並促進預備脂肪墊提前成熟
出生後 1 個月 (30 Days)	導管伸長速度減緩 ( $200\text{ ng/kg}$ BPA)；管腔中央細胞死亡受抑制 (管腔形成延遲)；黃體酮受體 (PR) 提前表達並聚集成叢
出生後 4 個月 (90 Days)	側向分枝與腺泡 (Acini) 過度形成；顯著持續的導管內增生 (Intraductal Hyperplasia)
成年期 / 長期追蹤	演變為原位癌 (Carcinoma in situ)，進而發展為可觸及的實體腺癌 (Adenocarcinoma)

標的受體的位置分佈與基質分子改變

研究團隊分離了乳腺上皮與周邊基質（peritubular stroma）進行轉錄組分析：

受體定位：雌激素受體 $\alpha$ （ $\text{ER}\alpha$ ）、G 蛋白偶聯雌激素受體（GPR30/GPER）與雄激素受體（AR）在胎兒乳腺基質中表達，但在胎兒上皮中不表達（註： $\text{ER}\beta$ 在該時點未顯現，但在更早期會表達）。因此，BPA 誘發上皮與基質的巨幅轉錄組改變，必然是透過基質媒介的間接訊號傳遞。
胚胎第 18 天（GD18）的基質改變：
- 對照組：預備脂肪墊正在形成（尚未出現脂肪滴），間質中含有豐富的膠原蛋白（collagen）。
- BPA 暴露組（ $250\text{ ng/kg}$ ）：預備脂肪墊展現出異常加速的成熟現象，過早表達 PPAR-gamma 並累積脂滴，但間質中的膠原蛋白含量大幅減少。
- 細胞外基質成分改變：轉錄組與蛋白位準分析均顯示，BPA 顯著抑制了 Tenascin-C 的表達。
發育去協調化（Lack of Coordination）：BPA 的核心致病機制在於破壞了基質與上皮發育事件的時間協調性（加速了部分成熟步驟，同時延緩了其他步驟）。

體外器官培養與非單調劑量效應

為了證實 BPA 是否直接作用於胎兒乳腺，研究團隊建立了體外器官外植體培養模型（ex vivo explant culture）：將胚胎第 14 天（GD14）的胎兒乳腺採集出體外培養至第 18 天（GD18），成功在體外重現了完整的胎兒乳腺發育歷程。

不同雌激素化合物的劑量反應曲線

將外植體暴露於不同濃度的雌激素或環境干擾物中，觀察其對乳腺導管系統生長面積的影響：

天然雌二醇（Estradiol）：呈現單調且抑制性（monotonic and inhibitory）的劑量反應曲線。
乙炔雌二醇（Ethinyl estradiol）：呈現單調且抑制性的劑量反應曲線。
己烯雌酚（Diethylstilbestrol, DES）：呈現單調且抑制性的劑量反應曲線。
雙酚 A（Bisphenol A, BPA）：呈現典型的非單調/雙相劑量反應曲線（non-monotonic / biphasic dose-response curve）。在 $1\text{ nM}$ 的極低濃度下，BPA 顯著促進了乳腺導管系統的生長與成熟；然而在高濃度下則轉為抑制作用。
機制驗證：低濃度 BPA 所誘發的促進發育效應，可被雌激素受體拮抗劑 Fulvestrant 完全阻斷，證實該效應是由雌激素受體媒介的專一性內分泌干擾，而非通用的非專一性毒性。
雙酚 S（Bisphenol S, BPS）：同樣展現出非單調的雙相劑量反應曲線（相關數據準備發表中）。

外植體培養結果與體內（in vivo）實驗高度一致（例如 Ethinyl estradiol 與 BPA 在體內及體外均表現出相同的反應特徵）。

化合物名稱	劑量反應型態	效應特徵
Estradiol	單調曲線 (Monotonic)	隨著濃度增加，導管生長持續受到抑制
Ethinyl estradiol	單調曲線 (Monotonic)	隨著濃度增加，導管生長持續受到抑制
Diethylstilbestrol (DES)	單調曲線 (Monotonic)	隨著濃度增加，導管生長持續受到抑制
Bisphenol A (BPA)	非單調/雙相曲線 (Non-monotonic)	$1\text{ nM}$ 促進導管生長，高濃度轉為抑制
Bisphenol S (BPS)	非單調/雙相曲線 (Non-monotonic)	展現雙相劑量反應模式

作用機制（Mode of Action, MoA）總結

直接標的：BPA 於胚胎期直接作用於胎兒乳腺的間質/基質細胞（mesenchyme/stroma）。
重塑基質：BPA 改變細胞外基質（ECM）的分子組成（如 Tenascin-C）與生物物理特性。
時間失調：BPA 破壞了器官發育過程中精確的時間協調（timing），導致部分發育步驟異常加速，另一部分則受阻延遲。
極化預備（Priming）：這種發育失調使乳腺組織在成年後對生殖激素產生異常敏感性。青春期卵巢切除後給予 Estradiol 的實驗證實，胚胎期暴露 BPA 的動物對 Estradiol 的敏感性大幅提升；瑞士 Cathrin Brisken 團隊亦證實其對 Progesterone 的敏感性同步增加。
癌症演進：異化的基質-上皮相互作用，疊加成年後對激素的超敏感反應，最終推動組織從導管內增生、原位癌，一路演進為侵襲性腺癌。

致謝與理論架構總結

講者於演講結尾感謝實驗室歷年成員的貢獻：

外植體實驗：Sherry Shively 與 Lucia Speroni。
動物實驗與病理分析：Laura Vandenberg、Michael Swinney、Silva Krause 與 Maricel Maffini。
轉錄組數據分析：Michael Swinney、Maricel Maffini 與 Nafis。
三維細胞培養：Victoria。
此外特別感謝理論生物學合作團隊，以及美國國家與國際研究基金的長期資助。

現場問答

Q1：關於 BPA 的市售替代物（如 BPS、BPF）是否具有相同的致癌風險？

臨床情境/問題：座長詢問，目前產業普遍使用其他雙酚類化合物替代 BPA，講者團隊是否已針對這些替代物進行系統性評估？
講者回答與說明：
- 講者團隊正與 Sue Fenton 博士進行合作研究，目前正在分析相關數據。在體外器官培養實驗中，Bisphenol S (BPS) 展現出與 BPA 類似的非單調發育干擾效應；而 Bisphenol F (BPF) 在體外培養中則未觀察到相同的效應。
- 然而，在 Sue Fenton 博士執行的體內（in vivo）動物實驗中，BPS 與 BPF 均會造成乳腺發育的異常改變。
- 目前尚無這些替代物的長期致癌性（cancer）實驗數據。致癌性研究極為耗費心力且費用昂貴。但是，參考過去 Diethylstilbestrol (DES) 的歷史經驗——胚胎期 DES 暴露已被證實會顯著增加人類與大鼠成年後罹患乳腺癌的風險——科學界迫切需要對這些替代物進行完整的長效致癌評估。

Q2：是否已鑑定出具體媒介此致癌效應的基質因子（Stromal Factors）？

臨床情境/問題：現場聽眾詢問，研究團隊是否已鎖定具體是哪些基質因子或細胞成分在媒介這些上皮改變？
講者回答與說明：
- 研究團隊針對導管周圍僅 15 微米（ $\mu\text{m}$ ）範圍的基質進行分離與轉錄組分析，發現有高達約 4,000 個差異表達基因（differentially expressed genes），包含大量的上調與下調基因。
- 轉錄組資料極為複雜，目前已確立的關鍵改變包含：脂肪細胞前驅物中 PPAR-gamma 的表達顯著增加。
- 免疫細胞的關鍵角色：講者特別指出，數據中出現許多免疫相關因子的改變。例如在動情期（estrus）中，組織會出現大量的嗜酸性球（eosinophils）浸潤。若缺乏特定的免疫因子，乳腺的終末端芽（terminal end buds）發育就會出現畸形。講者個人傾向於認為免疫細胞（immune cells）在基質媒介的致癌反應中扮演極關鍵的角色，目前正積極尋求跨領域合作。

Q3：BPA 在此系統中的低劑量活性與劑量反應特性為何？

臨床情境/問題：現場聽眾 Shawn 博士（University of Missouri）提問，關於原位癌與致癌數據，低至 $2.5\text{ }\mu\text{g/kg/day}$ 的劑量即展現出極強活性，講者對更低劑量的活性與劑量反應有何看法？
講者回答與說明：
- 在體外器官培養中，低至 $1\text{ nM}$ 的 BPA 即可產生顯著的發育促進效應。而在整體動物（in vivo）實驗中，FDA CLARITY-BPA 計畫在 $2.5\text{ }\mu\text{g/kg/day}$ 的給藥劑量下即觀察到腫瘤發生；講者團隊在其他研究中使用 $0.25\text{ }\mu\text{g/kg}$ （即 $250\text{ ng/kg}$ ）的劑量也觀察到了腫瘤誘發現象。
- 體內與體外劑量敏感性的差異，部分原因在於成年與胚胎期的代謝差異：成年個體能有效透過葡萄糖醛酸化作用（glucuronidation）與酯化作用將 BPA 結合並經由尿液迅速排出；而胚胎期缺乏完整的代謝解毒機制。
- 此外，極低劑量的 BPA 可能作用於細胞膜表面受體（plasma membrane receptors）而非傳統的核受體，這也解釋了為何低劑量能引發意想不到的強烈生物學效應。