Химический канцерогенез, его виды

ХИМИЧЕСКИЙ КАНЦЕРОГЕНЕЗ

Химические канцерогены ответственны за возникновение до 80-90% всех злокачественных опухолей человека. Канцерогенез в настоящее время большинством исследователей рассматривается как многостадийный процесс, в котором следует различать 3 главные стадии: инициацию, промоцию и прогрессию. Принято считать, что существуют 2 типа агентов, различающиеся по механизмам своего действия: инициаторы и промоторы. Действие инициаторов необратимо, действие промоторов до определенного момента обратимо. Оказалось, что большинство «сильных» канцерогенов обладают и инициирующими, и промоторными свойствами, а все промоторы, за редкими исключениями, проявляют канцерогенную активность, если их применять в высоких дозах и достаточно долго. Деление на инициаторы и промоторы в определенной степени соответствует делению канцерогенов на генотоксические и негенотоксические.

ГЕНОТОКСИЧЕСКИЕ КАНЦЕРОГЕНЫ

Соединения этого класса взаимодействуют с компонентами генома клетки, вызывая мутации ДНК. Мутации приводят к изменению свойств продуктов генов, что в конечном итоге вызывает нерегулируемый рост потомков этих клеток. Генотоксические вещества могут быть разделены на 2 группы: прямодействующие канцерогены и соединения, не канцерогенные в исходной форме, но активирующиеся в клетке под действием соответствующих ферментов -- непрямые канцерогены.

Канцерогены прямого действия при растворении (в первую очередь, в воде) распадаются с образованием высокоактивных производных, содержащих избыточный положительный заряд (электрофильную группу). Например:

R-CH₂-CH₂-C1 > R-CH₂-CH₂⁺+Сl^- (хлорэтиламин)

Электрофильная группа взаимодействует с отрицательно заряженными (нуклеофильными) группами молекулы ДНК, образуя стабильную ковалентную связь. При репликации нуклеотид, связанный с остатком канцерогена, может быть неправильно считан ДНК полимеразой, что приводит к мутации.

К агентам такого рода относятся N-нитрозоалкилмочевины (НАМ), этил- и метил-метансульфонат (ММС), N-метил-N-нитронитрозогуанидин (МННГ) азотистый иприт, диэпоксибутан, бета-пропиолактон, этиленимин. Некоторые из них являются доказанными канцерогенами человека.

Канцерогены непрямого действия являются малореакционноспособными соединениями. Факт включения остатков этих соединений в макромолекулы клетки ставил в тупик исследователей до тех пор, пока в 1956 г. супруги Миллер (J. and E. Miller) не высказали предположения, что эти вещества в процессе метаболизма подвергаются ферментативной активации с образованием высокоактивных электрофильных метаболитов, способных взаимодействовать с нуклеофильными группами ДНК.

Механизм действия генотоксических канцерогенов может быть представлен следующим образом:

МЕТАБОЛИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ И ДЕТОКСИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ КАНЦЕРОГЕНОВ

Канцерогены непрямого действия метаболизируются в клетке специальными ферментными системами. Большинство проканцерогенов гидрофобны, поэтому способ их выведения из клетки сводится в основном к повышению водорастворимости. При этом первым событием в цепи метаболических превращений является окисление исходной молекулы. Эта реакция осуществляется в основном изоформами цитохрома Р-450. Продукты окисления подвергаются дальнейшему превращению с образованием соединений, которые еще легче выводятся из клетки и организма. Этот этап осуществляется эпоксидгидролазами, глутатион-8-трансферазами, сульфатазами, ацетил- и глюкуронилтрансферазами и др. Наряду с основным процессом детоксикации ряд соединений в ходе этих реакций активируются, превращаясь в непосредственные канцерогены -- высокореактивные производные, ковалентно связывающиеся с клеточными белками и нуклеиновыми кислотами.

Как правило, электрофильные метаболиты образуются на первом этапе окисления проканцерогена микросомными монооксигеназами, которые локализованы главным образом, в эндоплазматическом ретикулуме и имеют в качестве терминального звена цитохром Р-450.

НЕГЕНОТОКСИЧЕСКИЕ КАНЦЕРОГЕНЫ

К негенотоксическим канцерогенам относятся соединения различной химической структуры и различного механизма действия: промоторы двухстадийного канцерогенеза, пестициды, гормоны, волокнистые материалы, прочие соединения (нужно заметить, что и пестициды, и гормоны могут быть промоторами канцерогенеза).

Негенотоксические канцерогены часто называют канцерогенами промоторного типа. Промоторы, как уже говорилось, должны воздействовать в высоких дозах, длительно, и, что очень важно, беспрерывно. Более или менее длительный перерыв в их применении сопровождается остановкой канцерогенеза (новые опухоли больше не появляются) или даже регрессией возникших опухолей. Они вызывают клеточную пролиферацию, тормозят апоптоз, нарушают взаимодействие между клетками.

Известны следующие механизмы действия негенотоксических канцерогенов:

а) промоция спонтанной инициации;

б) цитотоксичность со стойкой клеточной пролиферацией (митогенный эффект);

в) оксидативный стресс;

г) образование комплекса канцероген -- рецептор;

д) торможение апоптоза;

ж) нарушение межклеточных щелевых контактов.

Следует заметить, что в канцерогенном действии одного и того же соединения могут принимать участие несколько механизмов.

КАНЦЕРОГЕННООПАСНЫЕ КЛАССЫ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Полициклические ароматические углеводороды.

К этому классу химических веществ относятся соединения с конденсированными бензольными ядрами. Степень канцерогенности зависит от числа ароматических колец в молекуле, взаимного их расположения, наличия заместителей в молекуле.

Наибольшей канцерогенностью обладают вещества, имеющие 4-7 бензольных конденсированных колец. В структуре полициклических ароматических углеводородов выделены зоны, придающие соединению канцерогенную активность: так называемые бей- и фьорд-области. Однако имеются вещества, обладающие канцерогенностью (например, антантрен), в структуре которых отсутствуют бей- и фьорд- области.

К соединениям, канцерогенное действие которых обусловлено наличием в структуре аминогруппы, можно отнести 3 группы химических веществ: ароматические амины, аминоазосоединения и нитроарены. Первые две содержат аминогруппу, у нитроаренов она появляется в процессе клеточного метаболизма путем восстановления нитрогруппы.

Ароматические амины. Канцерогенность ароматических аминов (бывших причиной рака мочевого пузыря у рабочих, занятых в производстве красителей) была впервые установлена в конце прошлого века в Германии. Известны 3 основных ароматических амина, вызывающих рак мочевого пузыря у человека: 2-нафтиламин, бензидин и 4-аминобифенил. Метаболическая активация ароматических аминов начинается с их ацетилирования до ароматических амидов. Затем происходит микросомальное N-окисление ароматических аминов до N-гидроксиариламинов, которые могут напрямую взаимодействовать с ДНК, и окисление ароматических амидов до арилгидроксаминовых кислот. Конечными продуктами являются ацетилированные в случае амидов и неацетилированные в случае аминов аддукты ДНК, образующиеся при ковалентном присоединении азота к С-8 дезоксигуанозина.

Аминоазосоединения. Механизм канцерогенного действия этого класса веществ реализуется также посредством окисления аминогруппы с образованием гидроксиламина. По своему канцерогенному действию они похожи на ароматические амины, но основным органом-мишенью является печень. Интерес к изучению этого класса соединений с выделением его в отдельную группу связан со спецификой его использования в промышленности. Азосоединения широко применяются в качестве красителей, а ароматические амины являются промежуточным продуктом при их синтезе. В 30-е гг. нашего столетия в сливочное масло для придания ему аппетитного желтого цвета добавлялся диме-тиламиноазобензол (он так и назывался «маслянистый желтый»).

Впоследствии в опытах на животных была продемонстрирована его гепатоканцерогенность и его применение было немедленно запрещено.

Нитроарены имеют в структуре полициклическое ароматическое ядро и нитрогруппу. Несмотря на то, что полициклические ароматические углеводороды являются сильными канцерогенами, большинство исследователей считают, что эта составляющая молекулы нитроаренов не участвует в образовании конечного канцерогена. Окисление ароматической части молекулы нитроаренов является процессом детоксикации, а не активации. Образование конечного канцерогена связано с восстановлением нитрогруппы в аминогруппу, а далее это аминосоединение подвергается ферментативным воздействиям, идентичным тем, которые происходят с ароматическими аминами.

Нитрозосоединения. Общим для этого класса соединений является наличие в структуре нитрозо-группы:

где R и R₁ - различные алкильные заместители.

Нитрозосоединения широко используются в промышленности в качестве растворителей, антиоксидантов, ракетного топлива и пр. Они образуются как побочные продукты при некоторых технологических процессах. Нитрозодиэтиламин вызывает у мышей, крыс, хомячков, морских свинок опухоли печени, 2,6-диметил-нитрозоморфолин вызывает у крыс опухоли пищевода, у мышей -- желудка, у хомячков -- поджелудочной железы, а у морских свинок -- печени. Нитрозометилдодециламин у крыс и хомяков вызывает опухоли мочевого пузыря, а у морских свинок -- печени. Хотя нет прямых доказательств канцерогенности нитрозосоеданений для человека, этот класс веществ рассматривается как канцерогеннопасный для людей.

Афлатоксины.

Эти канцерогены являются продуктом гриба Aspergillus flavus, растущего на земляных орехах, злаках. Существуют несколько природных афлатоксинов, из которых наиболее мутагенным и канцерогенным, а также лучше всех изученным является афлатоксин В₁ (AFB₁). Именно с AFB₁, часто в сочетании с вирусом гепатита В, связывается высокая частота рака печени в Африке и Азии.

Как и рассмотренные выше канцерогены, AFB₁ нуждается в метаболической активации, проходящей ряд стадий с образованием нескольких метаболитов (в том числе AFB₁-диола) и нескольких аддуктов ДНК.

Металлы.

Свойствами вызывать опухоли у человека и эксперментальных животных обладают некоторые тяжелые металлы и их соединения: никель, хром, беррилий, кадмий, кобальт, мышьяк, свинец, ртуть. Степень их канцерогенной активности и органы-мишени во многом определяются растворимостью в тканевых жидкостях и путях выведения из организма.

Волокнистые и неволокнистые силикаты.

Другой тип канцерогенеза связан с воздействием на организм природных и синтетических силикатов. Они различаются по структуре кристаллической решетки, содержанию ионов металлов, но общим является наличие окислов кремния. Канцерогенными свойствами обладают вещества, имеющие волокнистую структуру.

Химические вещества и другие факторы, канцерогенность которых для человека доказана -- группа 1 по классификации МАИР

Агенты и группы агентов

Смеси

Экспозиция

Индивидуальная чувствительность к канцерогенам

«Канцерогены действуют на всех, а опухоли возникают лишь у некоторых. Почему?», -- этот вопрос чаще всего задают на лекциях. В аудитории обязательно кто-либо вспомнит своего деда, который безнаказанно курил и пил до глубокой старости. То же и о вредном производстве: весь цех работает в одинаковых условиях, а опухоли поражают лишь некоторых.

Можно ли заранее узнать, кто чувствителен к канцерогенам, а кто устойчив?

К этой задаче, которая в онкологии обозначается как проблема индивидуальной чувствительности, долгое время не было никаких подходов.

Злокачественное превращение клетки -- многостадийный процесс.

Проясняться проблема стала сравнительно недавно, когда выяснилось, что процесс канцерогенеза складывается из ряда этапов. На этих этапах клетки становятся независимыми от организма, так как они:

утрачивают чувствительность к сигналам прекращения деления;

начинают сами генерировать сигналы размножения;

в отличие от нормальных могут делиться бесконечное число раз;

утрачивают нормальные функции и структуру.

Нарушается стабильность передачи наследственных свойств потомкам. Вследствие этого опухоль составляют клетки, значительно различающиеся по своим свойствам. Такая разнородность клеточного состава позволяет ей выживать в самых различных условиях, в том числе и при химиотерапии.

Первичный эффект химических канцерогенов зависит от ферментных систем клетки.

Условно эти системы можно разделить на 2 основные категории: способствующие канцерогенезу и препятствующие ему. Активность их наследуется по общим законам генетики и варьирует в широких пределах. Если у человека активны ферменты, способствующие канцерогенезу, и неактивны, препятствующие ему, то он особо чувствителен к канцерогенам, при обратном соотношении -- высоко устойчив. Такие крайние варианты относительно редки. У большинства людей процессы активации и детоксикации относительно сбалансированы.

Проканцерогены же после окисления превращаются в активные производные, способные повреждать компоненты клетки, в том числе и ДНК - хранитель наследственной информации. Точность передачи этой информации строго контролируется системами клетки, поскольку изменение строения ДНК родительской клетки приводит к необратимому изменению свойств дочерних клеток и их последующих потомков.

Специальные механизмы распознают поврежденные участки ДНК и либо восстанавливают их, либо дают клетке команду на самоуничтожение, если восстановление наследственного кода невозможно.

Иногда ферменты восстановления допускают небольшие ошибки или не полностью устраняют повреждение. В таком случае клетка может избежать гибели и дать начало потомству с измененными свойствами. Если пропущенный дефект касается участка ДНК, ответственного за нормальное размножение, это может стать первым шагом к злокачественному превращению.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПОЛИМОРФИЗМ ФЕРМЕНТОВ МЕТАБОЛИЗМА КАНЦЕРОГЕНОВ

С индивидуальными различиями в активности этих ферментов -- их генетическим полиморфизмом -- впервые столкнулись фармакологи при лечении гипертонии дебризохином. У некоторых больных обычные дозы этого препарата вызывали катастрофическое падение кровяного давления. Как выяснилось, такая гиперчувствительность была результатом наследственно низкого уровня активности фермента, разрушающего дебризохин. То же касается и метаболизма других соединений.

Когда был измерен индивидуальный уровень ферментов, активирующих проканцерогены типа бенз(б)пирена, которые образуются при сгорании самых различных продуктов, -- от дров до табака и бензина, -- выяснилось, что от человека к человеку он различается до 80 раз.

Активность ферментов детоксикации канцерогенов также варьирует в широких пределах. Ароматические амины, вызывающие рак мочевого пузыря у работников анилинокрасочной промышленности, инактивируются ферментом N-ацетилтрансферазой-2. По его активности люди делятся на быстрый, медленный и промежуточный типы. На примере рабочих, экспонированных к этим канцерогенам, было показано, что у медленных ацетиляторов опухоли возникают почти в 10 раз чаще, чем у быстрых.

Эпидемиологические данные, полученные на больших выборках курильщиков, также хорошо иллюстрируют роль генетического полиморфизма ферментов в химическом канцерогенезе. У людей с высокой активностью ферментов, превращающих бенз(б)пирен в реактивное производное, и отсутствием детоксицирующих, риск возникновения рака легкого при курении даже умеренного количества сигарет повышен примерно в 9 раз.

В то же время нулевой уровень фермента, активирующего другую группу канцерогенов табачного дыма -- табакоспецифические нитрозамины, делает человека мало чувствительным к онкологическим последствиям курения (см. табл.)

Чувствительность к канцерогенам по параметрам метаболической активации и детоксикации канцерогенов

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПОЛИМОРФИЗМ ФЕРМЕНТОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДНК

Реактивные метаболиты проканцерогенов, образовавшиеся в процессе метаболизма, способны прочно связываться с участками молекулы ДНК, образуя так называемые аддукты, нарушающие ее нормальную структуру и функции.

Количество аддуктов в той или иной ткани и длительность их существования могут служить одним из показателей индивидуальной чувствительности к канцерогенам. Так, наиболее высокий уровень аддуктов канцерогенов из табачного дыма обнаруживается в лимфоцитах и легочной ткани больных, у которых опухоль возникла при коротком стаже курения.

У курящих женщин уровень аддуктов более высокий, чем у мужчин, и это соответствует предварительным эпидемиологическим наблюдениям о большей чувствительности женщин к канцерогенному действию табачного дыма. Индивидуальные различия здесь таковы, что разница в уровне аддуктов бенз(б)пирена с ДНК в бронхиальной ткани может достигать 75 раз, в стенке мочевого пузыря -- 70 раз, в пищеводе -- 100 раз.

Наблюдение над уровнем аддуктов ДНК у работников онкологически опасных профессий важно как для прогноза риска заболевания, так и для контроля соблюдения ими техники безопасности. В частности, у медсестер, занятых введением химиопрепаратов онкологическим больным, наблюдались большие различия в уровне аддуктов в лимфоцитах в зависимости от аккуратности работы.

Активность систем распознавания аддуктов, их удаления и восстановления первичной структуры ДНК значительно варьируют. Крайние формы известны в качестве наследственных заболеваний. Например, при пигментной ксеродерме клетки кожи не могут восстанавливать ДНК, поврежденную ультрафиолетовым излучением. У таких больных солнечный свет вызывает рак кожи. В то же время было показано, что и у нормальных доноров способность ДНК лейкоцитов к репарации после воздействия ультрафиолета различается не менее, чем в 5 раз.

Индивидуальные особенности систем репарации ДНК в лимфоцитах отражают способность любых клеток данного организма восстанавливать ДНК. Поэтому лимфоциты, которые можно брать из крови легко и многократно, являются хорошим объектом для изучения индивидуальной чувствительности к канцерогенам. В частности, показана хорошая количественная корреляция между уровнем аддуктов в ДНК лимфоцитов и клеток других органов, трудно доступных для исследования -- легкого у курильщиков, мочевыводящих путей у работающих с бензидином, печени и легких у работающих с канцерогенными полициклическими углеводородами.

Кроме того, на лимфоцитах можно изучать и последствия повреждения ДНК на уровне хромосом, т.е. выявлять под микроскопом нарушения их структуры в делящихся клетках. Качественный и количественный состав этих нарушений -- число микроядер, хромосомных перестроек, сестринских хроматидных обменов и т.д. может дать представление об эффективности действия канцерогена на клетки данного организма.

НАСЛЕДСТВЕННЫЕ ДЕФЕКТЫ В ГЕНАХ, КОНТРОЛИРУЮЩИХ КЛЕТОЧНОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ

Наследственные заболевания, предрасполагающие к канцерогенезу, касаются не только репарации ДНК. Наиболее четко предрасположенность к злокачественному росту проявляется у лиц с измененной структурой регуляторных генов -- протоонкогенов и генов-супрессоров опухолевого роста (антионкогенов), а также генов-мутаторов.

В норме протоонкогены участвуют во многих основных процессах, главными из которых являются регуляция клеточного цикла, роста и дифференцировки клеток. Нарушение структуры этих генов, повышающее продукцию их белков, приводит к неконтролируемому размножению клеток и их атипичному росту. Такой же эффект вызывают и мутации, отменяющие функции антионкогенов. Нарушение структуры генов-мутаторов увеличивает общую частоту мутирования.

Для людей с врожденными дефектами этих генов обычные условия жизни являются непереносимыми, поскольку даже фоновый уровень канцерогенных воздействий вызывает у них опухолевый рост.

Насколько увеличивается при этом вероятность злокачественного превращения, ярче всего видно на примере ретинобластомы у детей с врожденной мутацией в гене-супрессоре опухолевого роста Rb. Работа этого гена, регулирующего вход и продвижение по S-фазе клеточного цикла, прекращается, если мутации инактивируют оба его аллеля.

У детей, унаследовавших один мутантный аллель, злокачественная опухоль сетчатки развивается в том случае, если и второй аллель инактивируется мутацией от какого-либо внешнего воздействия. У таких детей опухоли возникают с частотой до 90%, в то время как среди детей с нормальной наследственностью эта опухоль возникает в 30 000 раз реже.

Так как генетический полиморфизм систем метаболизма канцерогенов и репарации ДНК не зависят друг от друга, канцерогенный риск в каждом конкретном случае определяется многими переменными, т.е. сочетанием баланса активации/детоксикации проканцерогенов с различной эффективностью работы ферментов восстановления ДНК. При этом конечный высокий уровень образования канцерогенных метаболитов не всегда может быть показателем повышенного канцерогенного риска, поскольку он может сочетаться с высокой активностью систем восстановления ДНК, и наоборот.

Таким образом, риск возникновения рака при действии канцерогенов определяется:

интенсивностью воздействия производственных канцерогенов на человека (экспозицией), которая зависит от особенностей технологического процесса и техники безопасности;

индивидуальной предрасположенностью, которую необходимо выявлять при скрининге и учитывать при профотборе работников онкоопасных производств.

Прогноз индивидуального риска возникновения опухоли в результате воздействия генотоксических факторов внешней среды складывается из анализа индивидуальной экспозиции к канцерогену, в основе которой лежат методы молекулярной дозиметрии, и из изучения индивидуальной чувствительности, то есть из анализа факторов генетической предрасположенности/резистентности к канцерогенным воздействиям.

Литература

1. Белицкий Г.А. (1999). Прогноз канцерогенности фармакологических средств и вспомогательных веществ в краткосрочных тестах. Ведомости фармкомитета, 1, 18-31.

2. Канцерогенез. Под редакцией Д.Г. Заридзе. -- М.: Медицина, 574 с.

Кобляков В.А. (1998) Индукторы цитохрома Р-450 как промоторы канцерогенеза. Биохимия, 53, (8), 1043-1058.

3. Кобляков В.А. (1990) Цитохромы семейства Р-450 и их роль в активации проканцерогенов. -- М., ВИНИТИ.

4. Турусов B.C., Ракитский В.Н. Классификация пестицидов по степени канцерогенной опасности для человека. Вопр. онкологии, 1997, 43, 3, 299-303.

5. Турусов В.С., Томатис Л. (1997) Трансплацентарный и трансгенерационный канцерогенез. Архив патологии, 59, (5), 7-12.