- •3.1. Онкогены
- •4.2. Выявление и мониторинг химических канцерогенов
- •5.1. Общая характеристика онкогенных вирусов
- •5.2. Онкогенный потенциал вирусов и механизмы его проявления
- •5.3. Вирусы папиллом и их роль в канцерогенезе шейки матки
- •5.4. Роль вируса гепатита в развитии рака печени
- •5.8. Ретровирусы типа D (SRV)
- •5.9. Эндогенные ретровирусы человека
- •5.10. О возможном участии ретровирусов в индукции рака молочных желез человека
- •7.1. Цитоскелет
- •7.2. Распластывание и локомоция нормальных клеток
но одной молекуле алкилирующего метаболита связаться ковалентно с ДНК, чтобы возникла опухоль. В про тивоположность этому перечисленные выше механизмы действия негеноток сичных канцерогенов (клеточная про лиферация, оксидативный стресс, на рушения межклеточных взаимодейст вий и др.) имеют порог, что было экс периментально доказано в отноше нии, например, клеточной пролифе рации, вызываемой негенотоксичным канцерогеном — р-дихлорбензолом в печени мышей, где этот канцероген вызывает опухоли.
Принципиально различен подход к оценке риска злокачественных опухо лей от действия генотоксичных и не генотоксичных канцерогенов. Опреде ление предельно допустимой дозы ге нотоксичных канцерогенов произво дится на основе линейной (беспорого вой) концепции путем математиче ской экстраполяции из области высо ких доз, использованных в экспери менте, в область очень малых реаль ных доз. ПДК негенотоксичных кан церогенов рассчитывают на основе экспериментально найденной макси мальной недействующей дозы с ис пользованием коэффициента запаса.
Рекомендуемая литература
Вопр. онкол. — 1997. — Т. 43, № 3. — С. 299-303.
Турусов В. С, Томатис Л. Трансплацентар ный и трансгенерационный канцероге нез // Αρχ. патол. — 1997. — Т. 59, № 5. - С. 7-12.
Franks L. Μ., Teich Ν. Μ. (eds.). Cellular and molecular biology of cancer. Third Edi tion. Oxford University Press. Oxford. — N. Y. - Tokyo. - P. 1-458.
IARC. Scientific Publication, № 116: Mecha nisms of carcinogenesis in risk identifica tion. — Lyon: IARCPress, 1992.
[ARC. Technical Report № 24: Peroxisome proliferation and its role in carcinogene sis. - Lyon: IARCPress, 1995.
Sanner T. et al. Potency grading in carcinogen classification // Molec. carcinogenesis. — 1997. - Vol. 20. - P. 280-287.
U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Proposed guidelines for carcinogen risk as sessment // Fed. Regist. — 1996. — Vol. 61. - P. 17 059-18 901.
Williams G. M. Chemicals with carcinogenic activity in the rodent liver; mechanistic evaluation of human risk // Cancer Let ters. - 1997. - Vol. 117. - P. 175-188.
Yamasaki H., Ashby J., Bignami M. et al. Nongenotoxic carcinogens: development of de tection methods based on mechanisms: a European project // Mutat. Res. — 1996. - Vol. 353. - P. 47-56.
4.2. Выявление и мониторинг химических канцерогенов
Г. А. Белицкий, В. С. Турусов
Белицкий |
Г. А. |
Прогноз |
канцерогенности |
|
|
|
|
|
|
||||
фармакологических средств и |
вспомо |
В СССР в отличие от стран Запад |
|||||||||||
гательных |
веществ |
в |
краткосрочных |
ной |
Европы |
и Америки никогда не |
|||||||
тестах // Ведомости |
фармкомитета. — |
было |
так |
называемых торотрастовых |
|||||||||
1999. — Т. 1. — С. 18-31. |
|
|
|||||||||||
|
|
раков, так |
как коллоидная двуокись |
||||||||||
Кобляков В. А. Цитохромы семейства Р450 |
|||||||||||||
тория, предложенная в 1928 г. в каче |
|||||||||||||
и их роль |
в активации |
проканцероге- |
|||||||||||
стве |
рентгеноконтрастного |
вещества, |
|||||||||||
нов. - |
М.: ВИНИТИ, 1990. |
|
|
||||||||||
|
|
не была разрешена к использованию в |
|||||||||||
Кобляков В. А. Индукторы цитохрома Р450 |
|||||||||||||
нашей стране. Произошло это потому, |
|||||||||||||
как промоторы канцерогенеза // Био |
|||||||||||||
химия. |
- |
1998. - |
Т. |
53, |
№ 8. - |
что профессор Л. М. Шабад (1902— |
|||||||
С. 1043-1058. |
|
|
|
|
1982), к которому обратился Мин |
||||||||
Перечень веществ, продуктов, производст |
здрав с запросом относительно безо |
||||||||||||
венных процессов, бытовых и природ |
пасности этого соединения, предупре |
||||||||||||
ных факторов, канцерогенных для че |
дил, |
что радиоактивный торий |
может |
||||||||||
ловека: Гигиенические нормативы |
ГН |
представлять |
канцерогенную |
опас |
|||||||||
1.1.725-98, |
Минздрав |
России. |
— |
М., |
|||||||||
ность. И действительно, через десятки |
|||||||||||||
1999. |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Ракитский В. Н. Классифи |
лет после того как больным с диагно |
|||||||||||
Турусов В. С, |
|||||||||||||
стической |
целью вводили |
внутривен |
|||||||||||
кация пестицидов по степени канцеро |
|||||||||||||
но раствор торотраста, у некоторых из |
|||||||||||||
генной |
опасности |
для |
человека |
// |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
15-7908 Д. Г. Заридзе |
225 |
них развились злокачественные опу холи печени, почек, легких и других органов. При этом в ткани опухолей обнаруживались радиоактивные ком плексы торотраста, частицы которого были в свое время захвачены и депо нированы клетками ретикулоэндотелия. Таким образом, своевременное распознавание потенциального канце рогена предотвратило возникновение целой категории злокачественных опухолей. Но противоположных при меров значительно больше. К ним от носятся все профессиональные раки, вызванные агентами, о канцерогенно сти которых стало известно из ретро спективных эпидемиологических ис следований.
Быстрое распознавание канцероге нов давно стало насущной необходи мостью, так как технический прогресс привел к использованию большого количества химических соединений с не всегда известной биологической активностью. Часть из них применяют в быту, часть — в виде загрязнителей попадает в воду, воздух и пищу и с ними поступает в организм человека. Среди таких соединений находятся агенты, способные вызывать злокаче ственные новообразования. Физикохимические характеристики некото рых из них известны, что позволяет следить за их динамикой в окружаю щей среде с помощью методов, о ко торых будет сказано ниже. Определе ние же канцерогенных свойств новых химических соединений представляет собой значительно более сложную и не до конца решенную задачу. Тради ционные методы испытания в хрони ческих экспериментах на животных не позволяют охватить весь поток соеди нений, выпускаемых различными ви дами промышленности, поскольку они дороги и длительны.
Существует ряд подходов к реше нию этой проблемы. Одни предпола гают распознавание потенциальных канцерогенов по структуре молекулы, другие основываются на выявлении наиболее ранних событий в цепи кан церогенеза, третьи направлены на соз
дание моделей in vivo с максимально коротким латентным периодом воз никновения опухолей.
4.2.7.Скрининг канцерогенов
по химическому строению
До конца 60-х годов XX в. это на правление носило чисто эмпириче ский характер, поскольку в то время не были известны многие звенья в це пи химического канцерогенеза. Счи талось, что химические канцерогены разных классов вызывают опухоли различным путем. В дальнейшем Дж.
иЭ. Миллер нашли общий момент действия всех генотоксичных канце рогенов — их превращение в процессе внутриклеточного метаболизма в электрофильные производные, спо собные образовывать аддукты с ДНК
идругими макромолекулами.
Внеэкспериментальный прогноз канцерогенных свойств химических соединений до настоящего времени остается в высшей степени сложной задачей, решение которой стало воз можным лишь в последние годы на основе компьютерного анализа боль ших баз данных, содержащих сведе ния о канцерогенности, мутагенности, токсичности и других биологических свойствах тысяч химических агентов различных классов.
Прогноз опасности новых химиче ских соединений по элементам сход ства с известными генотоксичными канцерогенами производится с учетом наличия у них электрофильных групп, являющихся структурными сигналами этой опасности. Например, наличие нитро- и аминогрупп в параположении производных бифенила и некото рых других соединений определяет их высокую генотоксичную (мутагенную) активность. В общем виде это корре лирует с величиной энергии низшей незанятой орбитали молекулы, харак теризующей ее электрофильность, т. е. способность ковалентно реагиро вать с нуклеофильными мишенями клеточных макромолекул. Среди дру гих квантовых характеристик молеку-
226
лы существенное значение имеют на личие зарядов на различных атомах, показатели электронной плотности, величина энергии высшей занятой орбитали и др. Учитываются также то пологические характеристики молеку лы, описывающие ее форму и индек сы молекулярных связей. Прогнози руемый эффект существенно прибли жается к фактическому при учете так называемых модулирующих факторов, к которым относятся реактивность, распределение в системе октанол—во да (липофильность) и наличие мета болических сайтов, которые определя ют возможные пути превращения со единения в клетке. Совокупность ме тодов, с помощью которых можно с достаточной степенью надежности ко личественно оценивать соотношение структура—функция, для прогноза канцерогенности обозначается аббре виатурой QSAR (Quantitative Structure Activity Relationship) и предполагает использование данных сравнительно го компьютерного анализа больших однородных баз данных, полученных
агентов, обладающих генотоксической активностью, поскольку пока не су ществует представительных баз дан ных и критериев количественной оценки взаимосвязи структура—функ ция для промоторов и других негено токсичных канцерогенов.
4.2.2. Биологические методы скрининга
4.2.2.1. Хронические эксперименты на животных
До последнего времени наиболее распространенным методом выявле ния канцерогенов были хронические эксперименты на животных. К поло жительным сторонам данного метода испытаний, делающего его в ряде слу чаев незаменимым, относится то, что у животных в результате действия агента развивается опухоль — такой же патологический процесс, как и у человека. При этом выявляются кан церогены, действующие на уровне ор ганизма, например через изменения в
вгруппе родственных соединений. эндокринной или иммунной системе.
При этом анализ должен произво диться на основе уравнений QSAR с использованием обучаемых программ типа CASE (Computer Automated Structure Evaluation) или MultiCASE в сочетании с программами типа МЕТА для учета вероятных метаболических превращений испытуемого соедине ния, в результате которых первона чально нейтральное соединение (проканцероген) может превращаться в активный электрофильный метаболит. Предсказательная способность мето да QSAR может приближаться к уров ню биологического эксперимента, ес ли в его уравнения закладываются точные физико-химические характе ристики соединения и адекватные данные о предполагаемом механизме действия, а обучающая выборка, со держащая данные о канцерогенности его аналогов, достаточно велика и од нородна. Следует отметить, что внеэкспериментальный прогноз канцеро генности пока возможен только для
В 70-е годы XX в. было узаконено проведение испытаний на канцеро генность на двух видах животных — мышах и крысах. После того как ре зультаты индукции опухолей у крыс позволили со значительной степенью вероятности предсказывать канцеро генность агента для мышей и наобо рот, появилось основание думать, что агент, вызывающий опухоли у двух видов животных, может быть актив ным как у других животных, так и у человека. В последующие десятилетия в хронических экспериментах на гры зунах были испытаны тысячи соеди нений.
Вскоре выяснилось, что хрониче ские эксперименты на животных об ладают абсолютной предсказательной силой лишь в очень узком диапазоне условий. Они воспроизводятся полно стью только на животных того же ви да, иногда только той же линии. Экст раполяция результатов на другой, да же близкий вид всегда носит вероят-
15* |
227 |
ностный характер. В частности, афлатоксин В, — сильнейший канцероген для крыс, но он слабо активен у мы шей.
Пара-диметиламиноазобензол го раздо эффективнее вызывает опухоли печени у крыс, чем у мышей, а близ кий к нему по структуре о-аминоазо- толуол обладает противоположной ви довой тропностью. Данные наиболее авторитетных международных про грамм, в которых на мышах и крысах были параллельно исследованы сотни веществ, показали, что совпадение ре зультатов для обоих видов не превы шает 70-75 %.
Едва ли можно утверждать, что по своей чувствительности к канцероге нам человек ближе к крысе или мы ши, чем эти два вида друг к другу. Это положение также хорошо иллюстри руется данными МАИР, подытожив шего результаты исследований, в ко торых на грызунах испытывали из вестные и предполагаемые канцероге ны человека (группы 1 и 2А). Три дцать соединений такого рода были испытаны в хронических эксперимен тах на животных. Группа экспертов МАИР, рассмотревшая все эти дан ные, сочла, что на основании хрони ческих экспериментов на мышах и крысах из 30 канцерогенов человека достоверно выявлены только 23 (76,6 %).
Относительно канцерогенности двух веществ (мышьяк и конъюгированные эстрогены) были получены ложноотрицательные результаты. Дан ные испытания 5 других соединений не позволили сделать никаких опреде ленных выводов.
Положительные результаты для не которых соединений были получены с большим трудом. Например, с помо щью бензола, который приводит к развитию лейкозов у человека, у мы шей удалось индуцировать лимфомы лишь после интенсивной ингаляцион ной затравки, но только у одной ли нии и только у самцов. У крыс бензол вызывал опухоли цымбаловой железы
— органа, которого нет у человека.
Второй классический канцероген че ловека — 2-нафтиламин — практиче ски неканцерогенен для крыс, а у мы шей вызывает небольшое повышение числа гепатом. Для воспроизведения в эксперименте опухолей мочевого пу зыря, которые он вызывает у челове ка, наиболее адекватной моделью ока зались только собаки. С большим тру дом, на грани достоверности удалось показать принципиальную возмож ность получения опухолей у грызунов с помощью канцерогенных для чело века соединений, содержащих мышь як и др.
Кроме того, спектр опухолей у экс периментальных животных значитель но отличался от такового у человека. Особенно большие проблемы возник ли с высокой частотой гепатом у мы шей B6C3F1, которые часто использо вались для тестирования на канцерогенность. Как известно, у европейцев такие опухоли наблюдаются крайне редко, и в конце концов эта модель была оставлена.
Выводы, которые сделаны на осно вании хронических экспериментов, базируются только на различиях в возникновении опухолей у контроль ных и подопытных животных безот носительно механизма их возникнове ния. В настоящее время это считается недостаточным, так как ряд опухолей у грызунов возникает с помощью ме ханизмов, отсутствующих у человека. Например, определяющим для канце рогенного действия d-лимонена на почки самцов крыс является наличие в их моче специфического белка (α2μ- глобулина). Такого белка нет не толь ко у человека, но и у животных.
Далее в хроническом эксперименте были использованы субтоксичные до зы веществ, вызывающие эффекты, никогда не встречающиеся при ис пользовании низких доз. Например, огромные дозы сахарина, вводимого крысам, кристаллизовались в их моче вом пузыре и вызывали там опухоли путем механического повреждения эпителия. Количество сахарина, по требляемого человеком, на порядки
меньше, и в его моче этот заменитель сахара находится только в растворен ном состоянии.
К существенным недостаткам тра диционного метода выявления канце рогенов относится и то, что с его по мощью не удается выявлять слабые канцерогены, поскольку в экспери ментальных группах обычно не бывает более 50 животных. Если мы имеем дело с агентом, который вызывает опухоли у 0,5—1 % особей, то он лег ко может выпасть из поля зрения экс периментатора.
Хронические эксперименты на жи вотных, выполняемые по классиче ской схеме (два вида животных обоего пола, две дозы и контроль — всего по 300 мышей и 300 крыс на вещество), не могут служить скрининговым тес том еще и потому, что они обходятся чрезвычайно дорого и длятся обычно до 3 лет. Их малая "пропускная спо собность" не в состоянии обеспечить контроль за тысячами новых соедине ний, ежегодно выпускаемых химиче ской промышленностью.
4.2.2.1.1.Перспективы
совершенствования
4.2.2.1.2.Среднесрочные испытания in vivo — выявление органотропности канцерогенов
Данный вариант является компро миссным, имеющим целью сократить длительность испытаний, сохранив в качестве объекта экспериментальных животных. Показателем эффекта при этом служат не только опухоли, но и предопухолевые изменения. Исполь зуют две основные системы — пече ночную модель и мультиорганную мо дель. Обе они, как и многие другие, базируются на гипотезе двухстадийного канцерогенеза. Считается, что эти модели могут не только обеспечить относительно быструю оценку канце рогенности на сравнительно неболь шом количестве животных, но и дать информацию об ожидаемой органо тропности испытуемых соединений.
4.2.2.1.2.1.Печеночная модель
В основе метода лежат следующие факты:
•доказательство двухстадийного развития индуцированных опу холей печени у крыс, получен ное воздействием генотоксичного инициатора и негенотоксичного промотора;
•стимулирующее действие на канцерогенез усиленной проли ферации гепатоцитов, вызван ной частичной гепатэктомией.
Оптимальным оказался метод, при котором инициация вызывается одно кратным внутрибрюшинным введени ем Ν-нитрозодиэтиламина (НДЭА). Испытуемое вещество вводят в течение 6 нед после инъекции НДЭА. Частич ную гепатэктомию выполняют на фоне введения испытуемого вещества — на 3-й неделе после инъекции НДЭА. Тестирование заканчивают через 8 нед после начала опыта. Показателями эф фективности являются среднее количе ство гиперпластических очажков и узелков в печени и их размер. Было ус тановлено, что примерно 2 % их пере ходит в гепатоцеллюлярный рак.
В течение определенного времени маркером предопухолевых изменений в печени считался фермент γ-глута- милтранспептидаза (ГГТ), активность которого в гиперпластических очаж ках и узелках была значительно выше, чем в окружающей паренхиме печени. В последующем в качестве такого маркера стали применять плацентар
ную форму гамма-глутатион-S-трансфера- зы (ГСТ-П), активность которой так же выше в предопухолевых узелках и которая легко определяется иммуногистохимически. Эта модель позволя ет удовлетворительно предсказывать канцерогенность агентов, органоммишенью для которых является пе чень. В ряде случаев, однако, увеличе ние количества очажков, дающих по ложительную реакцию на ГСТ-П, на блюдалось и под действием канцеро генов с иной органотропностью.
229
4.2.2.1.2.2. Мультиорганные модели
Данные модели включают или на чальную инициацию N-метил-N- нитрозомочевиной (НММ), или ини циацию несколькими канцерогена ми с последующим — в обоих случа ях — введением испытуемого вещест ва в течение 12—20 нед. Эта модель позволяет идентифицировать канце рогены с различным органотропизмом.
Инициация N-мemun-N-Humpoзомо-
чевиной (НММ). НММ — канцероген прямого действия, способный вызы вать опухоли или инициировать их во многих органах — нервной системе, кроветворной ткани и др. Инициация вызывается 8-кратным (по 2 раза в не делю) внутрибрюшинным введением НММ, после чего испытуемое веще ство вводят в течение 20 нед. Показа телями канцерогенности являются возникновение доброкачественных и злокачественных опухолей, а также в зависимости от органа — гиперплазия, дисплазия, аберрантные крипты в кишечнике, измененные пилорические железы в желудке, измененные канальцы в почках и т. д.
Недостатком модели является ран няя гибель части животных от лимфом и лейкемий и недостаточно ши рокий спектр инициированных орга нов, в частности отсутствие инициа ции в печени.
Инициация комбинацией нескольких канцерогенов. Используют три извест ных канцерогена с различным спек тром вызываемых ими опухолей: НДЭА (гепатоканцероген), НММ (см. выше) и N-нитрозобис(2-гидрокси- пропил)амин (НБГПА), вызывающий у крыс опухоли щитовидной железы, мочевого пузыря, почек. При разра ботке этой модели была использована следующая схема введения канцерогенов: НДЭА однократно в/б 100 мг/кг (1-й день), 4 инъекции в/б НММ по 20 мг/кг на 3, 6, 9, 12-й дни; НБГПА с питьевой водой в концентрации 0,1 % в течение 2 нед с 15-го по 28-й день. В
последующем испытуемое вещество вводили в течение 20 нед.
Для проверки эффективности мультиорганных моделей в качестве испытуемых веществ использованы известные канцерогены. Результатом было значительное увеличение часто ты изменений в органах, являющихся мишенями для этих канцерогенов, по сравнению с животными, которые по лучали эти вещества без предвари тельной инициации.
4.2.2.1.2.3. Модели опухолей отдельных органов
Кожа мышей. Это классический орган для изучения двухили много стадийного канцерогенеза. Она была использована для определения ини циирующей или промоторной актив ности многих соединений. В первом случае испытуемое вещество наноси ли на кожу несколько раз в качестве инициатора, вслед за чем производи ли многократное нанесение известно го промотора (ТФА). Для определения промоторной активности на кожу од нократно наносили субканцерогенную дозу ДМБА, после чего начинали по вторное нанесение испытуемого ве щества. В обоих случаях имеется по ложительный контроль — субканцеро генная доза ДМБА в сочетании с по вторным нанесением ТФА. Недоста ток этой модели состоит в том, что многие канцерогены (например, нитрозамины, ароматические амины) не проявляют своей активности в коже мышей.
Легкие мышей линии А. Мыши этой линии, а также, хотя и в меньшей сте пени, линии BALB/c характеризуются высокой спонтанной частотой опухо лей легких, которые быстро и в боль шом проценте случаев возникают под действием некоторых классов химиче ских канцерогенов (ПАУ, нитрозамины, карбаматы, гидразины). Эта мо дель была использована для тестиро вания нескольких сот химических со единений. Поскольку многие из из вестных химических канцерогенов на
230
этой модели дали ложноотрицательные результаты, отрицательные ре зультаты, полученные на этой модели, не должны приниматься во внимание.
Молочные железы крыс Sprague— Dowley. Опухоли молочных желез (ОМЖ) у крыс данной линии легко индуцируются ПАУ (MX, БП, но осо бенно ДМБА) и НММ, которые и мо гут быть использованы в качестве инициаторов двухстадийного канце рогенеза. Применение этой модели не было широким.
Мочевой пузырь крыс. В качестве инициатора используют Ν-нитрозобу- тил(4-гидроксибутил)амин в концен трации 0,01 или 0,05 % в питьевой во де в течение 4 нед, после чего в тече ние 32 нед дают испытуемое вещест во. Эффект оценивают или по предопухолевым изменениям (сосочковая или узелковая гиперплазия), или по опухолям (папилломы и рак). Чувст вительность модели может быть уве личена, а латентный период сокращен до 24 нед путем добавления урацила или односторонней перевязки моче точника, усиливающих пролиферацию эпителия.
Желудок крыс. М-метил-М-нитро- Ν-нитрозогуанидин (МННГ), извест ный как сильный канцероген желези стого желудка у крыс, используется в качестве инициатора. Его вводят внутрижелудочно в дозе 160 мг/кг, после чего дают испытуемое вещество в те чение 14 нед в сочетании с 4-кратным внутрижелудочным введением насы щенного раствора поваренной соли, повреждающей слизистую оболочку желудка и делающей ее более чувстви тельной к канцерогену. Все испыта ние занимает менее 40 нед.
Поджелудочная железа крыс. N- нитрозобис(2-оксопропил)амин, вво димый подкожно, — инициатор кан церогенеза поджелудочной железы у самок сирийских хомячков и у крыс. У последних в качестве инициатора могут быть использованы также азасерин и 4-гидроксиаминохинолин 1-ок сид. Промоторная активность испы туемого вещества определяется его
введением в течение длительного сро к а — д о 18 мес. У хомячков холиндефицитная диета и добавление L-ме- тионина делают модель более чувст вительной.
Щитовидная железа крыс. В каче стве инициатора используют Ν-нит- робис(2-гидроксипопил)амин, вводи мый внутрибрюшинно, подкожно или с питьевой водой. Перед началом тес тирования рекомендуется определять в сыворотке уровень йода, Т4 и тиреотропного гормона гипофиза.
4.2.2.1.3. Трансплацентарный и неонатальный канцерогенез
Хорошо известна высокая чувстви тельность плодов и новорожденных к определенным канцерогенам. При трансплацентарном воздействии необ ходимо учитывать период беременно сти, в течение которого плод наиболее чувствителен к канцерогенам. Нужно также иметь в виду, что канцерогены, нуждающиеся в метаболической акти вации этими методами, обнаружива ются с трудом из-за неразвитости у плодов и новорожденных печеночной системы метаболизма ксенобиотиков.
4.2.2.1.4.Нокаутные
итрансгенные животные
Использование животных со спе цифически измененным генотипом в перспективе позволяет не только со кратить латентный период возникно вения опухолей и снизить число под опытных животных, но и более при ближенно моделировать механизм канцерогенеза у человека.
Линии трансгенных животных, предназначенные для скрининга кан церогенов, создаются на основе зна ний о механизмах химического бластомогенеза. В частности, ряд линий был создан на основе модели рака толстой кишки. Согласно этой модели на ранних стадиях атипичной проли ферации эпителия активируется онко ген ras, а на стадии злокачественной опухоли инактивируется супрессор
231
С х е ма 4.4. Тестирование с использованием трансгенных и новорожденных живот
ных
р53. Активация онкогена моделирует ся на мышах двух линий. Линия TgAC несет в 11 -й хромосоме мутантный эндогенный v-Ha-ras под эм бриональным глобиновым промото ром. Трансген экспрессируется в кератоцитах базального слоя эпидерми са только при действии канцерогенов, что приводит к возникновению па пиллом и карцином. Он может быть активирован также и в преджелудке грызунов. Линия TG.ras-h2 несет мутантный Ha-ras человека. Инактива ция супрессора опухолевого роста мо делируется на линии, гетерозиготной по р53 (TG.p53+/-).
Верификация указанных трансген ных моделей продемонстрировала их способность выявлять многие генотоксичные и негенотоксичные канце рогены человека менее чем за 6 мес против 24 в классическом хрониче ском эксперименте. При этом бензол, вызывающий у человека лейкозы, ин
дуцировал у мышей Tg.AC опухоли кожи и кроветворной системы, у TG.p53+/— — опухоли кроветворной системы, а у TG.ras-h2 — опухоли лег ких и преджелудка. В экспериментах с негенотоксичным циклоспорином А опухоли возникли у мышей Tg.AC и TG.ras-h2, но не у TG.p53+/-. В то же время в последние годы появились данные о том, что мыши TG.AC не чувствительны к таким канцерогенам человека, как фенацетин, и слабо чув ствительны к мелфалану и циклофосфамиду.
Один из вариантов тактики ис пользования трансгенных животных, разрабатываемый в США Food and' Drug Administration (FDA), представ лен на схеме 4.4.
На этапе предварительных испыта ний изучают физико-химические свойства молекулы испытуемого ве щества, проводят поиск канцероген ных аналогов и испытания на гено-
232
токсичность в краткосрочных тестах. Если соединение генотоксично и ре зультат этот несомненен, его относят к потенциальным канцерогенам либо предлагают испытать в хроническом эксперименте. Последнее вызвано тем, что примерно '/3 соединений, му тагенных в системах in vitro, не дает опухолей у животных и, наоборот, ряд канцерогенов обладает негенотоксичлным механизмом действия in vivo.
В случае, если результаты тестов на генотоксичность неоднозначны, вы полняют исследование на мышах TG.p53+/—, которые высокочувстви тельны к генотоксичным канцероге нам. Положительный ответ дает осно вание считать агент канцерогеном ли бо испытать его в хроническом экспе рименте. Отрицательный результат должен быть подтвержден опытами на TG.AC или отвергнут. В последнем случае соединение относят к канцеро генам или предлагают испытать в хро ническом эксперименте.
Некоторые исследователи использу ют мышей Ras Н2 вместо TG.p53+/—.
Соединения, изначально не обна ружившие генотоксичных свойств, изучают на новорожденных мышах или мышах TG.AC, чувствительных к канцерогенам обоих типов. Отрица тельный результат дает основание считать агент небластомогенным при условии, что он не вызывает патоло гических эффектов, связанных с дру гими негенотоксичными механизмами канцерогенеза. К ним относят способ ность изменять гормональный баланс или экспрессию ростстимулирующих факторов, усиливать пролиферацию через цитотоксичность, ингибировать апоптоз, нарушать клеточное взаимо действие, индуцировать цитохром Р450, изменять уровень метилирова ния и т. д. Положительный же резуль тат позволяет отнести соединение к негенотоксичным канцерогенам, если выяснен механизм его действия. В противном случае предлагается иссле дование в хроническом эксперименте.
Некоторые авторы считают, что при наличии достаточных данных о
химической природе класса соедине ний, к которому относится испытуе мый агент, для окончательного выво да может быть достаточным испыта ние только на трансгенных животных. Другое предложение состоит в том, чтобы в хроническом эксперименте на двух видах животных заменить обыч ных мышей трансгенными либо про изводить тестирование на канцерогенность только на трансгенных мышах.
Изучается также много других ли ний, моделирующих факторы пред расположенности к возникновению опухолей. Например, нарушенный процесс репарации моделируется ли нией ХРА, дефектной по генам эксцизионной репарации. Эта линия оказа лась не только жизнеспособной, но и низкораковой в плане возникновения спонтанных опухолей. В то же время мыши этой линии обладают высокой чувствительностью к ряду канцероге нов. УФ-излучение и 7,12-диметил- бенз(а)антрацен интенсивно вызыва ют у них папилломы и карциномы ко жи. Другие генотоксичные канцероге ны индуцируют лимфомы, опухоли печени, мочевого пузыря и кишечни ка. Примером двухкомпонентной сис темы со сверхвысокой чувствительно стью к канцерогенному действию ультрафиолетового излучения могут служить гибриды мышей, дефектных по р53 и группе генов эксцизионной репарации. У таких животных возни кает гораздо больше дедифференцированных карцином кожи даже по сравнению с ХРА. Путем скрещива ния такого рода мышей с мутантами, дефектными по репарации метилгуаниновых аддуктов ДНК, предполага ется получить линию с высокой чув ствительностью к любым алкилирующим соединениям.
У линий животных, создаваемых для скрининга канцерогенов, предпо лагается модифицировать и другие механизмы клеточного и тканевого гомеостаза, связанные, в частности, с передачей межклеточных сигналов, системами поддержания нормальной экспрессии генов и генетической ста-
233
бильности, |
|
регуляцией |
клеточного |
ся, и это необходимо принимать во |
||||||||||||||||||||
цикла |
и др. В частности, |
модифика |
внимание при разработке скрининго- |
|||||||||||||||||||||
ция гена АРС, продукт которого явля |
вых тестов. Ряд агентов вызывает не |
|||||||||||||||||||||||
ется |
частью |
|
катениновой |
системы, |
обратимые изменения ДНК непосред |
|||||||||||||||||||
приводит к развитию у мышей аденом |
ственно, путем образования аддуктов, |
|||||||||||||||||||||||
и полипов в кишечнике аналогично |
индукции |
соматических |
мутаций и |
|||||||||||||||||||||
тому, как это имеет место у человека с |
нарушения функций основных |
регу |
||||||||||||||||||||||
синдромом кишечного полипоза. Эта |
лирующих |
белков. Другие ксенобио |
||||||||||||||||||||||
модель может быть использована для |
тики вызывают тот же конечный эф |
|||||||||||||||||||||||
быстрой |
индукции |
злокачественных |
фект путем гипер/гипометилирования |
|||||||||||||||||||||
опухолей |
кишечника |
при |
испытании |
ДНК или временного изменения ак |
||||||||||||||||||||
соответствующих |
канцерогенов. |
|
|
тивности (стабильности) самих белко |
||||||||||||||||||||
Среди |
факторов, |
регулирующих |
и |
вых молекул путем их аберрантного |
||||||||||||||||||||
поддерживающих |
экспрессию |
генов, |
фосфорилирования |
и |
ацетилирова- |
|||||||||||||||||||
привлекает внимание и система им- |
ния. В результате даже временный эф |
|||||||||||||||||||||||
принтинга, |
поскольку |
она |
наиболее |
фект на уровне белка, имеющий след |
||||||||||||||||||||
естественным |
образом |
|
регулирует |
ствием |
нарушение |
таких процессов, |
||||||||||||||||||
нормальное |
развитие. Примером |
на |
как |
репарация |
поврежденной |
ДНК |
||||||||||||||||||
рушения ее функций у человека явля |
или апоптоз, может привести к необ |
|||||||||||||||||||||||
ется |
инактивация |
|
антионкогена |
ратимым |
последствиям, |
в частности |
||||||||||||||||||
ρ16IΝΚ4α |
у больных с наследуемой фор |
неопластической |
|
трансформации |
||||||||||||||||||||
мой меланомы. Получены линии мы |
клетки. Ввиду того что большинство |
|||||||||||||||||||||||
шей с нокаутированными генами ме- |
из известных |
канцерогенов |
человека |
|||||||||||||||||||||
тилтрансферазы, |
|
осуществляющей |
относится |
к генотоксичным |
соедине |
|||||||||||||||||||
CpG-метилирование. Они оказались |
ниям, образующим аддукты с ДНК, |
|||||||||||||||||||||||
чувствительными |
к канцерогенам, |
но |
наиболее |
разработаны методы скри |
||||||||||||||||||||
обнаружили |
|
высокий |
спонтанный |
нинга именно этих агентов. |
|
|
||||||||||||||||||
фон возникновения сарком и лим- |
Процесс канцерогенеза, |
вызывае |
||||||||||||||||||||||
фом. В связи с этим не исключено, |
мого полными канцерогенами, услов |
|||||||||||||||||||||||
что при использовании в скрининго- |
но подразделяется на две стадии — |
|||||||||||||||||||||||
вых |
тестах |
|
сверхчувствительных |
к |
инициацию и промоцию. На первой в |
|||||||||||||||||||
канцерогенам |
животных |
|
придется |
генетическом |
аппарате |
клетки, |
как |
|||||||||||||||||
учитывать |
|
возможность |
|
получения |
уже упоминалось, |
возникают стойкие |
||||||||||||||||||
ложноположительных |
|
|
результатов, |
изменения, на второй в основном за |
||||||||||||||||||||
связанных с этой сверхвысокой чувст |
счет эпигенетических факторов созда |
|||||||||||||||||||||||
вительностью. |
|
|
|
|
|
|
|
|
ются |
условия |
для |
|
преимущественной |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пролиферации инициированных кле |
|||||||||||
4.2.2.2. Скрининг канцерогенов |
ток. На стадии |
инициации |
наиболее |
|||||||||||||||||||||
существенным событием является по |
||||||||||||||||||||||||
в краткосрочных тестах (КСТ) |
||||||||||||||||||||||||
вреждение |
ДНК |
|
электрофильными |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Полный объем понятия "канцеро |
метаболитами |
канцерогенов, |
которое |
|||||||||||||||||||||
генные соединения" включает все ве |
приводит к возникновению точковых |
|||||||||||||||||||||||
щества, способные увеличивать в по |
мутаций, рекомбинаций и т. д. Высо |
|||||||||||||||||||||||
пуляциях |
количество |
|
опухолей |
раз |
кая вероятность причинной связи ме |
|||||||||||||||||||
личных локализаций по сравнению с |
жду мутагенезом и канцерогенезом, а |
|||||||||||||||||||||||
соответствующим |
контролем. |
Сюда |
также |
высокая |
|
частота |
совпадения |
|||||||||||||||||
входят не только полные канцероге |
канцерогенных |
и |
мутагенных свойств |
|||||||||||||||||||||
ны, способные вызывать опухоли без |
среди |
самых |
различных |
химических |
||||||||||||||||||||
дополнительных воздействий, |
но так |
соединений привели к созданию мно |
||||||||||||||||||||||
же инициирующие агенты, промоторы |
гочисленных тестов, в которых пока |
|||||||||||||||||||||||
и коканцерогены. Очевидно, что ме |
зателем |
предполагаемой |
бластомоген- |
|||||||||||||||||||||
ханизм действия отдельных |
групп |
ной |
активности |
служит |
способность |
|||||||||||||||||||
канцерогенов |
значительно |
|
различает |
вызывать мутации в различных систе- |
234
мах. Ряд повреждений генетического аппарата клетки, вызываемых канце рогенами, носит более грубый харак тер и может распознаваться цитогенетическими методами. Очевидно, что следующие поколения КСТ будут включать тесты, позволяющие выяв лять канцерогены и с иными механиз мами действия.
Промоторы в биологически актив ных концентрациях не повреждают ДНК. Они оказывают плейотропное действие на клетки: в частности, из меняют структуру и функции клеточ ных мембран, нарушают проницае мость межклеточных контактов. Соот ветственно КСТ для промоторов на правлены на выявление этих особен ностей.
Интегральным показателем канце рогенной активности химического агента может служить его способность трансформировать клетки в культуре что также используется в ряде КСТ.
4.2.2.2.1. Мутагенез и канцерогенез
Предложенная в начале XX в. Т. Бовери мутационная теория происхо ждения злокачественного роста исхо дила из существования наследуемых форм опухолей, имеющих сходную локализацию и гистологическое строение, и наличия наследственных болезней, при которых высокая часто та мутирования соматических клеток коррелирует с возникновением опухо лей различной локализации и строе ния. В настоящее время к этому при бавились данные о моноклональном происхождении опухолей, инициации канцерогенеза путем трансфекции клеток мутантными онкогенными по следовательностями ДНК, активации онкогенов или инактивации супрессоров в результате единичной точковой мутации и др.
шения ее первичной структуры, за крепление которых в последующей репликации приводит к возникнове нию популяции клеток с мутантными молекулами.
Рассматривая связь мутагенеза и канцерогенеза на уровне скрининговых тестов, следует иметь в виду, что понятия "мутаген" и "канцероген" полностью совпадают только в том случае, если показано, что агент спо собен индуцировать мутации в той ткани-мишени, где впоследствии об разуется опухоль. В то же время агент, мутагенность которого показана на иных моделях, в силу ряда причин (неадекватный метаболизм, особенно сти проницаемости ткани и др.) мо жет оказаться немутагенным для этой мишени и, следовательно, неканцеро генным. Четкое понимание этого ог раничения необходимо для экстрапо ляции данных с простых систем на сложные и для оценки ложноположительных и ложноотрицательных ре зультатов тестирования.
Разрабатывают подходы, позволяющие регистрировать мутагенный эффект непосредственно в тканях ор ганизма. Это стало возможным путем включения в геном конструкций, ко торые визуализируют мутации путем синтеза окрашенного белка. Транс генные мыши Big Blue® содержат ген lad, являющийся мишенью для мута генов. Эта модель позволяет регистри ровать и количественно учитывать точковые мутации, небольшие делеции или инсерции, возникающие в любых тканях животного как спонтанно, так и при действии мутагенов При этом стало возможным не только определять органы-мишени, но и ко личественно сравнивать уровень мута генеза в тканях, различающихся по характеру метаболизма испытуемого агента и соответственно эффективно сти канцерогенеза.
Как уже упоминалось выше, ос |
Модель была создана путем введе |
новным свойством генотоксичных |
ния в геном клетки мыши вектора |
канцерогенов является способность их |
лямбдаLIZ, несущего peпpeccop, lacI и ре- |
реактивных метаболитов ковалентно |
порртерный ген lacZ. После обработки |
связываться с ДНК и вызывать нару |
мышей мутагеном из их клеток выде- |
235
ляют ДНК и вектором инфицируют бактериальную культуру. Если репрессор инактивирован мутацией, это вид но по экспрессии β-галактозидазы — продукта гена lacZ. Эффект можно на блюдать на культуре Е. coli SCS-8, растущей на среде с хромогенным субстратом (5-бром-4-хлор-3-индо- лил-бета-D-галактопиранозид). Коло нии, пораженные мутантным фагом, растут в виде голубых пятен. Отноше ние количества окрашенных колоний к неокрашенным является показате лем мутагенной активности испытуе мого агента.
В большинстве случаев частота му таций в lacZ, возникающих в ответ на введение генотоксичного агента тако го рода животным, соответствует тка невой и органной специфичности его канцерогенного действия.
4.2.2.2.2. Метаболическая
активация проканцерогенов в системе скрининговых тестов
Большинство классов химических канцерогенов существует в виде инертных соединений, обозначаемых как проканцерогены. В активные электрофильные формы их превраща ют ферменты клетки, преимуществен но монооксигеназы системы цитохрома Р450. У млекопитающих эта систе ма экспрессируется в большинстве тканей, но более всего в печени.
Для детекции генотоксичных эф фектов химических канцерогенов ис пользуют бактерии или длительно культивируемые линии клеток млеко питающих, которые в большинстве своем либо вовсе не имеют системы метаболической активации проканце рогенов, либо ее активность не адек ватна таковой у млекопитающих. В связи с этим в скрининговых тестах используют экзогенную активацию с помощью очищенных в различной степени монооксигеназ из фракции эндоплазматического ретикулума пе чени грызунов, чаще всего крыс. Из других приемов активации, применяе мых в экспресс-тестах, следует упомя
нуть культуры метаболически компе тентных клеток ("кормилка") и акти вацию in vivo в организме животногопосредника. Использование каждого из них имеет свои преимущества и не достатки.
Субклеточные фракции. Наиболее широкое распространение в экспресстестах получило использование постмитохондриальной фракции S-9 или S-15, получаемой путем центрифуги рования при 9000 или 15 000 g гомогената печени животных. Постмитохондриальная фракция содержит как фер менты эндоплазматического ретикулу ма, так и ферменты цитозоля. Недос татком данной системы является при сутствие нуклеофильных акцепторов в самой системе активации, что приво дит к связыванию активных канцеро генов и неполному их выявлению. Кроме того, постмитохондриальные фракции, особенно S-9, токсичны для клеток-мишеней, однако доступность метода, легкость его применения (предынкубация проканцерогена с фракциями S-9 или S-15) привели к широкому использованию данной системы активации практически во всех экспресс-тестах системы рутин ного скрининга канцерогенов. Токси ческий эффект активирующей смеси может быть снижен, если работать с выделенными из микросомной фрак ции ферментами эндоплазматического ретикулума. Очищенную фракцию мембран получают ультрацентрифуги рованием ранее полученных фракций S-9 или S-15 при 105 ООО g в течение 1 ч. Активация в такой системе дает представление о путях метаболизма конкретных проканцерогенов в систе ме микросомных монооксигеназ, од нако отсутствие ферментов, локализо ванных в цитозоле клетки, является ее существенным недостатком.
Базальный уровень активности микросомных монооксигеназ, когда они метаболизируют только эндоген ные субстраты (стероидные гормоны, холестерин), невысок, поэтому при нято повышать ее активность путем предобработки животных сильным
236
индуктором этой системы — арохлором 1254 или его аналогом соволом. В отдельных случаях для этой цели ис пользуют индукторы типа фенобарби тала или 20-метилхолантрена.
В последние годы появились штаммы бактерий, обладающие соб ственной системой активации про канцерогенов. В геном таких бакте рий встроены локусы цитохрома Р450 под промотором генов теплового шока.
Культуры клеток. Существует дос таточно данных о том, что спектры метаболитов проканцерогенов, акти вируемых субклеточными фракция ми, не идентичны тем, которые полу чаются при метаболизме этих агентов в клетке. Искажение картины мета болизма при использовании фракции S-9 происходит, в частности, из-за нарушения пространственной взаи мосвязи различных ферментов, уча ствующих в метаболизме, снижения концентрации кофакторов, наруше ния соотношения концентрации фер мента и субстрата и т. д. В связи с этим для активации проканцерогенов широко используют культуры мета болически активных клеток, в основ ном гепатоцитов, которые служат "кормилкой" для клеток-мишеней прокариотического или эукариотического происхождения. В других тес тах, например в тесте на индукцию репаративного синтеза ДНК, исполь зуют переживающие культуры гепа тоцитов взрослых крыс, которые ак тивируют проканцероген и одновре менно являются мишенями для дей ствия его метаболитов. К недостат кам данного приема метаболической активации относятся усложнение процедуры тестирования и трудно сти, связанные с получением и под держанием метаболически активных клеток.
Активация in vivo. Иногда в качест ве активатора проканцерогенов ис пользуют организм в целом. При этом методе можно получить информацию не только о путях метаболизма проканцерогена, но и о его динамике в
организме. В качестве мишеней обыч но служат клетки самого животного — лимфоциты, клетки костного мозга или половые клетки. Иногда живот ному вводят внутрибрюшинно чуже родные клетки тесторных штаммов или микроорганизмы в сочетании с введением канцерогена. Практическое использование последнего приема на ряду с понятными преимуществами создает значительные трудности вследствие реакции организма на это введение.
Таким образом, метаболическая активация канцерогенов является су щественным моментом скрининга канцерогенов, поэтому ее приемы достаточно жестко регламентированы в соответствующих методических ре комендациях.
4.2.2.2.3. Принципы формирования батарей КСТ
В связи с тем что большинство КСТ моделирует отдельные этапы канцерогенеза, наиболее успешным является их использование в виде ба тарей, т. е. набора тестов. Подобные батареи должны отвечать ряду требо ваний. КСТ, включаемые в одну бата рею, должны быть взаимодополняю щими, т. е. отличаться или по конеч ному эффекту (повреждение ДНК, генные мутации, хромосомные абер рации, неопластическая трансформа ция, нарушение метаболической коо перации и др.), или по уровню орга низации объекта исследования (про кариоты, эукариоты; системы in vitro или in vivo). При этом последователь ность испытаний предполагает движе ние от простых экспериментов к сложным и от кратких к более дли тельным.
Для выявления одних и тех же эф фектов существует ряд равноценных тестов. В зависимости от особенно стей тестируемого препарата одним методам следует отдавать предпочте ние перед другими. В этом смысле ба тарея КСТ не является жестко фикси рованной.
237
4.2.2.2.3.1.Минимальная батарея Верификация батареи краткосроч
КСТ
Принятые в настоящее время ме тодические рекомендации по скри нингу химических канцерогенов пре дусматривают следующий минимальный набор тестов.
Тесты на генные мутации. Тест Эймса с использованием экзогенной метаболической активации фракцией S-9 печени крыс. Аналогичными яв ляются индукция соматических мута ций или рецессивных сцепленных с полом леталей у дрозофилы, а также индукция мутаций в культуре клеток млекопитающих (с экзогенной мета болической активацией).
Цитогенетические тесты. Индук ция хромосомных перестроек в клет ках костного мозга мышей или индук ция микроядер с введением препарата in vivo.
Тесты на повреждения ДНК. Recтест на Е. coli или индукция внепла
нового синтеза Д Н К |
в |
культуре кле |
ток млекопитающих. |
Равноценными |
|
являются обнаружение |
повреждения |
Д Н К методом щелочной элюции или индукция SOS-ответа бактериальной клетки (SOS-хромотест).
В определенных ситуациях (см. ни же) в батареи должны быть включены тесты на промоторную активность и прямые экспресс-тесты, где опухоли индуцируются ускоренно. Из этих тестов весьма важны и информативны трансформация клеток в культуре и индукция опухолей у гидробионтов. Оба метода более длительны, чем приведенные выше КСТ, однако и они в 4—6 раз короче хронических опытов по индукции опухолей у крыс
и мышей.
Среди методов выявления промоторов наиболее верифицированы тест на нарушение метаболической кооперации в смешанной культуре ГФРТ+ и ГФРТ- соматических клеток млекопитающих и тест на нарушение перетекания флюоресцирующего красителя при микроинъекции его в отдельные клетки культуры ткани.
ных генотоксичных тестов на канце рогенных соединениях человека пока зала, что по чувствительности и спе цифичности ее данные не уступают результатам тестирования в хроническом эксперименте на двух видах гры зунов (табл. 4.2).
4.2.2.2.4. Индивидуальные
скрининговые тесты
4.2.2.2.4.1. Определение мутагенности с помощью бактериальных тест-систем
Несомненным достоинством бактериальных тест-систем является их высокая чувствительность. В результа те быстрого размножения бактериаль ных клеток можно выявлять мутации, которые в обычных условиях в от дельном локусе происходят с частотой порядка 1 · 10-6. Созданы штаммы, об ладающие сверхвысокой чувствитель ностью к мутагенам различных клас сов. Они несут ряд мутаций, повы шающих проницаемость их стенок для крупных гидрофобных молекул, нару шающих процесс репарации ДНК и др.
Показателем генотоксичности ча ще всего являются мутации (прямые или обратные) или гибель клеток штаммов, не способных репарировать ДНК . Наибольшее распространение получил тест, основанный на индук ции обратных мутаций у штаммов Sal monella typhimurium, дефектных по способности синтезировать гистидин (his-). В этом тесте на чашках с селек тивной средой регистрируется появле ние колоний вследствие мутирования
от ауксотрофности к прототрофности (his- - his+).
Ввиду того что у бактерий отсутст вуют ферментные системы, активи рующие проканцерогены у млекопи тающих, метаболические превраще ния изучаемого агента осуществляют ся добавляемой к инкубационной смеси постмитохондриальной фрак цией (фракция S-9) из печени млеко-
Т а б л и ц а 4.2. Ретроспективная оценка испытаний канцерогенных для человека соедине
ний в хронических и краткосрочных тестах
|
Канцеро- |
Показатель активности |
Интеграль |
|||||||
|
генность |
ная оценка |
||||||||
|
в краткосрочных тестах |
|||||||||
|
|
ДЛЯ |
по данным |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Канцероген |
|
|
|
му |
повре |
повре |
транс |
опы |
крат- |
|
|
мы |
|
|
жде |
жде |
форма |
тов на |
ко- |
||
|
|
крыс |
таге |
ние |
сроч- |
|||||
|
шей |
|
ние |
ция |
живот |
|||||
|
|
|
|
нез |
ДНК |
хромо |
культур |
ных |
1 |
ных |
|
|
|
|
|
сом |
|
тестов2 |
|||
4-Аминобифенил |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
|
+ |
+ |
|
+ |
Азатиоприн |
+ |
|
+ |
+ |
|
+ |
|
+ |
|
+ |
Асбест |
+ |
|
+ |
— |
|
+ |
|
+ |
|
— |
Афлатоксины |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
|
+ |
Бензол |
— |
|
— |
— |
|
+ |
|
+ |
|
+ |
Бензидин |
+ |
|
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
Бериллий и его соединения |
|
|
+ |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
|
+ |
1,4-Бутанодиол диметансульфо- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нат (милеран) |
+ |
|
— |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
Винилхлорид |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
± |
|
+ |
|
+ |
Диэтилстильбэстрол |
+ |
|
+ |
± |
— |
|
+ |
|
— |
|
Иприт сернистый (горчичный газ) |
+ |
|
|
+ |
+ |
+ |
|
+ |
|
+ |
Каменноугольные смолы |
+ |
|
+ |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
|
+ |
Кадмий и его соединения |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
Кремний кристаллический (кварц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и кристобалит) |
— |
|
— |
— |
+ |
± |
+ |
+ |
|
— |
Конъюгированные эстрогены |
|
|
— |
|
— |
|
||||
Мелфалан (сарколизин) |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ ' |
8-Метоксипсорален (метоксален) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в сочетании с УФ-облучением |
+ |
|
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
Минеральные масла (слабоили |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
неочищенные) |
+ |
|
— |
+ |
+ |
+ |
. + |
+ |
|
± |
Мышьяк и его соединения |
— |
|
— |
+ |
+ |
— |
|
|||
Никель и его соединения |
+ |
|
+ |
± |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
2-Нафтиламин |
|
|
— |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
Сажи |
+ |
|
|
+ |
|
|
+ |
+ |
|
+ |
Сланцевые масла |
+ |
|
|
+ |
+ |
+ |
|
|
|
+ |
Тамоксифен |
+ |
|
+ |
|
+ |
|
+ |
|
'''+': |
|
2,3,7,8-Тетрахлордибензо-р-диок- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
син |
+ |
|
+ |
|
+ |
— |
+ |
+ |
|
+ |
Тиофосфамид (ТИОТЭФ) |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
|
+ |
Хлорамбуцил |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
|
+ |
Бис(хлорметил)эфир и техниче |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ский хлорметиловый эфир |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
|
± |
N,N-бис-(2-хлорэтил)-2-нафтила- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мин (хлорнафазин) |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
|
+ |
Хром шестивалентный и его со |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
единения |
|
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
1 -(-2-Хлорэтил)-3-(4-метилцикло- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
гексил)-1-нитрозомочевина (ме- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тил - CCNU) |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
|
± |
|
+ |
Циклоспорин |
+ |
|
± |
— |
|
+ |
|
+ |
|
± |
Циклофосфамид |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
Эрионит |
+ |
|
+ |
|
+ |
|
+ |
+ |
|
+ |
Этиленоксид |
+ |
|
|
+ |
+ |
+ |
|
+ |
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
'Канцерогенно 26, не канцерогенно 2, сомнительно 7.
2Канцерогенно 26, не канцерогенно 3, сомнительно 6.
3Только в клетках эукариотов.
питающих. В связи с этим данный тест обозначается как тест Salmonella/ microsome, или, по автору, как тест Эймса. В данном тесте изучены тыся чи соединений, причем в отдельных группах генотоксичных агентов корре ляция с канцерогенностью достигала 94 %, в то время как у соединений, не обладающих электрофильностью и не приобретающих ее в ходе метаболиз ма, она была минимальной. Приме ром канцерогенов человека, не инду цирующих мутаций в тесте Эймса, яв ляются асбест, никель, мышьяк, син тетические эстрогены и подобные им соединения.
Следует отметить, что никакой корреляции между величиной мута генной активности вещества в мик робном тесте и степенью его канцеро генности для животных не наблюдает ся. Сильный микробный мутаген мо жет быть слабым канцерогеном и на оборот. Кроме того, в микробном тес те на мутагенность не всегда проявля ют активность канцерогены, вызы вающие хромосомные аберрации.
В целом, несмотря на эти ограни чения, бактериальные тест-системы оказались чрезвычайно информатив ным инструментом для первого этапа скрининга. В развитии данного мето да перспективными представляются пути повышения специфичности этих тестов. Создаются штаммы нового по коления, с помощью которых можно охарактеризовать мутагенный спектр неизвестного агента и тип мутаций, которые он вызывает. Некоторые из таких штаммов чувствительны к очень узкому спектру мутагенов, например к агентам, вызывающим только один из шести возможных вариантов замены пар оснований. Например, на таких штаммах 5-азацитидин вызывает толь ко трансверсивную реверсию типа CG—GC; Ν-4-аминоцитидин — толь ко AT—GC, а нитрозогуанидин — ТА—GC и GC—ТА. Супермутаген метилметансульфонат индуцирует зна чительно более широкий спектр мута ций. Это открывает возможность изу чения корреляции между мутагенным
эффектом агентов в прокариотических системах с особенностями их действия на эукариот.
4.2.2.2.4.2. Определение мутагенности на дрозофиле
Индукция рецессивных летальных мутаций, сцепленных с полом. Метод Миллер-5 или CIB позволяет оценить способность испытуемого агента и продуктов его метаболизма вызывать генные мутации в половых клетках дрозофилы. Рекомендуемые методы основаны на индукции исследуемыми препаратами в Х-хромосоме самцов дикого типа рецессивных летальных мутаций, которые через дочерей пере даются самцам второго поколения, не доживающим до стадии имаго.
Индукция соматического мозаицизма.
Метод заключается в интегральном вы явлении рекомбинационных и других мутационных событий, индуцируемых в соматических клетках личинок дро зофилы. В основе метода лежит учет мозаичных пятен, возникающих в ре зультате всего комплекса нарушений генотипа: митотической рекомбина ции, потери хромосом или фрагментов хромосом, транслокаций, делеций и генных мутаций. В качестве маркеров возможно использование любых из следующих тестерных линий: генов системы у и sn3 в транс-положении, wco/w компаунда, расположенных в X- хромосоме, а также аутосомных марке ров mwh. fir, находившихся в транс-по ложении. При использовании марке ров, локализованных в Х-хромосоме, оценку генетической активности про изводят раздельно для самцов и самок. На самках дифференциально оценива ют уровень хромосомных потерь, круп ных хромосомных перестроек, рекомбиногенной активности и частоту му таций разных типов; на самцах регист рируют уровень генных мутаций и внутрилокусных микроделеций по ис следуемому гену.
Одним из перспективных направ лений является изучение эффекта супрессоров опухолевого роста дрозо-
240
филы в гомозиготных клонах, инду |
кусу тимидинкиназы), 2,6-диаминопу- |
||||||||||||||||
цированных |
канцерогенами у |
гетеро |
рина (мутации по локусу аденинфос- |
||||||||||||||
зиготных особей-носителей на личи |
форибозилтрансферазы) и др. |
|
|||||||||||||||
ночных стадиях. В лаборатории мето |
Низкая собственная |
способность |
|||||||||||||||
дов |
скрининга канцерогенов |
РОНЦ |
клеток тесторных линий активировать |
||||||||||||||
РАМН разработана тест-система для |
проканцерогены компенсируется, как |
||||||||||||||||
скрининга химических канцерогенов |
и в случае с бактериальными тестами, |
||||||||||||||||
на D. melanogaster, где их активность |
с помощью экзогенной системы мета |
||||||||||||||||
учитывают напрямую |
по формирова |
болизма. |
|
|
|
|
|
||||||||||
нию опухолей у имаго. Опухоли инду |
Культуры, |
обработанные мутагена |
|||||||||||||||
цируются у |
личинок, |
гетерозиготных |
ми для выявления генных мутаций, |
||||||||||||||
по |
гену |
worts(wts), |
представляющему |
могут быть одновременно использова |
|||||||||||||
собой Ser/Tr-киназу, которая в фос- |
ны для |
цитогенетических исследова |
|||||||||||||||
форилированном |
состоянии |
инакти- |
ний, регистрирующих появление мик |
||||||||||||||
вирует Cdc2 и блокирует клеточный |
роядер, |
сестринских хроматидных об |
|||||||||||||||
цикл на стадии G2/M. Инактивация |
менов и др. |
|
|
|
|
||||||||||||
мутагеном этого ингибитора |
клеточ |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
ного деления в клетках имагинальных |
4.2.2.2.4.4. |
Индукция |
|
|
|||||||||||||
дисков |
гетерозигот |
приводит |
к появ |
|
|
||||||||||||
хромосомных аберраций |
|
||||||||||||||||
лению |
опухолей у |
имаго. |
В |
данной |
|
||||||||||||
в клетках костного мозга мышей |
|||||||||||||||||
системе была показана канцерогенная |
|||||||||||||||||
и микроядерный тест |
|
|
|||||||||||||||
активность |
11 канцерогенных соеди |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
нений прямого и непрямого действия, |
Первый метод основан на регист |
||||||||||||||||
относящихся к 5 основным классам. |
рации видимых хромосомных наруше |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ний в клетках костного мозга мышей, |
||||||
4.2.2.2.4.3. Индукция прямых |
|
находящихся на стадии метафазы. |
|||||||||||||||
|
Сущность второго метода состоит в |
||||||||||||||||
генных мутаций |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
том, что образовавшиеся |
под воздей |
|||||||||||
в культивируемых |
клетках |
|
|||||||||||||||
|
ствием |
мутагена |
во время |
деления |
|||||||||||||
грызунов |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
клеток ацентрические фрагменты хро |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Используют линии |
клеток |
китай |
мосом и отставшие хромосомы, не во |
||||||||||||||
ского хомячка (V-79, СНО и др.), лим- |
шедшие в дочерние ядра, формируют |
||||||||||||||||
фомы мыши (L5178), которые высоко |
в цитоплазме клеток одно, реже 2—3 |
||||||||||||||||
чувствительны к действию |
мутагенов. |
ДНК-содержащих образования, полу |
|||||||||||||||
По данному признаку они приближа |
чивших |
название |
микроядер. Таким |
||||||||||||||
ются к бактериальным клеткам, имея |
образом, частота клеток с микроядра |
||||||||||||||||
при этом низкую и устойчивую частоту |
ми является |
непрямым |
показателем |
||||||||||||||
спонтанных |
мутаций |
и |
стабильный |
цитогенетической |
активности |
изучае |
|||||||||||
псевдодиплоидный |
кариотип. Все |
это |
мого агента. Самый надежный резуль |
||||||||||||||
существенно |
для |
оценки |
мутагенного |
тат дает анализ микроядер в созреваю |
|||||||||||||
потенциала малых доз мутагенов, когда |
щих эритроцитах костного мозга — |
||||||||||||||||
эффекты |
приближаются к |
величинам |
полихроматофильных |
эритроцитах. |
|||||||||||||
естественного мутационного процесса. |
Дифференциальное окрашивание по |
||||||||||||||||
Наибольшее |
распространение |
получи |
зволяет легко отличить эти недавно |
||||||||||||||
ли |
методы, |
учитывающие |
индукцию |
прошедшие митоз клетки от зрелых |
|||||||||||||
генных мутаций, выявляемых по нару |
эритроцитов. |
|
|
|
|
||||||||||||
шению |
|
метаболизма |
пуриновых |
или |
|
|
|
|
|
|
|||||||
пиримидиновых оснований, например |
4.2.2.2.4.5. |
Учет |
|
|
|||||||||||||
по резистентности к высоким концен |
|
|
|||||||||||||||
ДНК-повреждающего |
действия |
||||||||||||||||
трациям 6-тиогуанина или 8-азагуани- |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
на: мутации по локусу гипоксантин- |
Rec-mecm. Метод основан на срав |
||||||||||||||||
фосфорибозилтрансферазы |
|
(ГФРТ), |
нении роста суспензии бактерий ди- |
||||||||||||||
бромдезоксиуридина |
(мутации |
по |
ло- |
- кого типа и штаммов, имеющих мута- |
16-7908 Д. Г. Заридзе |
241 |
ции в генах, контролирующих различ ные этапы процессов репарации в бактериальной клетке (мутации pol А и RecA). При наличии ДНК-повреж- дающего эффекта исследуемого веще ства рост мутантных бактерий не ре гистрируется, тогда как бактерии ди кого типа при данных концентрациях агента растут нормально.
Бактериальный SOS-хромотест.
Основой тест-системы является штамм E.coli, несущий плазмиду, сконструированную посредством объ единения гена lacZ c SOS-индуцирую щим промотором плазмиды ColEl. В результате этого объединения синтез белка гена lacZ β-галактозидазы пол ностью зависит от промотора плазми ды ColEl, работа которого в свою оче редь индуцируется повреждениями ДНК. Таким образом, количество продуцируемой β-галактозидазы свя зано со степенью повреждения ДНК.
Определение репаративного синтеза ДНК в культуре клеток млекопитаю щих. В ответ на повреждение ДНК генотоксичными ксенобиотиками акти вируются системы восстановления ДНК, в частности эксцизионная репа рация. Одним из ее этапов является репаративный синтез, который доста точно просто зарегистрировать по включению меченого тимидина в ДНК клеток, находящихся вне S- фазы.
4.2.2.3. Прямые ускоренные методы
Под прямыми ускоренными мето дами выявления канцерогенности по нимают тесты, основанные на непо средственной регистрации опухолей под действием испытуемых агентов у животных, обладающих повышенной чувствительностью к канцерогенам.
4.2.2.3.1.Индукция опухолей
уаквариумных рыб
Наиболее апробированным в этом отношении тестом является метод ус коренной оценки канцерогенной ак
тивности на аквариумных рыбах (гуп пи, данио-рерио и медака). При оцен ке результатов хронических опытов на рыбах используют следующие крите рии: время появления первой опухоли в группе, частота опухолей (процент животных с опухолями), средний ла тентный период развития опухолей, количество опухолевых узлов на одну рыбу, первичная множественность опухолей, процент злокачественных опухолей, частота метастазирования, гистологическая структура опухолей.
Чаще всего у рыб наблюдаются но вообразования печени — гепатоцеллюлярные аденомы и карциномы, холангиомы и холангиокарциномы. Опухоли могут развиваться в кишеч нике, щитовидной железе, жабрах, пищеводе, головном мозге, почках, гонадах, поджелудочной железе, встречаются и мезенхимальные опухо ли брюшной полости. Все эти новооб разования чрезвычайно похожи на аналогичные опухоли у грызунов.
Частота индуцированных опухо лей у рыб колеблется в весьма широ ких пределах (до 100 %). Это связано как с различиями канцерогенной ак тивности химических соединений, так
ис особенностями постановки экспе римента (температура, длительность экспозиции, доза, метод аппликации
идр).
4.2.2.3.2.Неопластическая трансформация клеток грызунов в культуре ткани
В основе метода лежит способ ность канцерогенных агентов in vitro трансформировать нормальные клет ки млекопитающих в злокачествен ные. Используют как культуры пер вичных эмбриональных клеток, так и клетки иммортализованных линий. В условиях культуры этот процесс про исходит значительно быстрее, чем в организме.
О трансформирующем действии испытуемого вещества судят по харак теру очагов роста. Колонии трансфор мированных клеток при достаточном
242
навыке легко распознают по их мно гослойному росту, отсутствию одно направленной ориентированности. Та кие колонии состоят из резко поляри зованных, перекрещивающихся, рас положенных в несколько слоев кле ток. Окраска их более интенсивна за счет многослойности. Линии, полу ченные из клеток таких колоний, об ладают пониженной чувствительно стью к концентрации сыворотки в культуральной среде, растут в полу жидком агаре, а при прививке сингенным животным вызывают появление опухолей. Показателем активности испытуемого вещества является соот ношение колоний трансформирован ных и нетрансформированных клеток.
4.2.2.4. Тесты для скрининга опухолевых промоторов
Угнетение метаболической коопера ции в смешанной культуре клеток. В
тесте используют клетки, чувствитель ные (ΤΓS) и резистентные (ТГR) к ток сичному аналогу пуриновых оснований 6-тиогуанину. Резистентность клеток к 6-тиогуанину обусловлена отсутствием у них фермента гипоксантин-гуанин- фосфорибозилтрансферазы (ГФРТ), превращающего 6-тиогуанин в нуклеозид, включающийся в ДНК. Выживае мость ТГR-клеток в смешанной культу ре с ТГS-клетками на среде с 6-тиогуа- нином резко снижается, так как в ТГS- клетках образуется нуклеозид 6-тиогуа- нина, который через щелевые контак ты поступает в ТГR-клетки. Опухоле вые промоторы снижают метаболиче скую кооперацию, что приводит к воз растанию выживаемости ТГк-клеток в смешанной культуре.
Ингибирование межклеточного обме на флюоресцентным красителем. В ос нове метода лежит способность опухо левых промоторов ингибировать пере текания инъецированного внутриклеточно через микроэлектрод флюорес центного гидрофильного красителя по щелевым контактам в соседние клетки. В тесте обычно используют краситель люциферовый желтый.
4.2.2.5. Правила продвижения исследуемых веществ по батарее КСТ
и интерпретация результатов испытаний
Результаты испытания препарата в батарее КСТ позволяют сделать за ключение о наличии или отсутствии у него потенциальных канцерогенных свойств. Это заключение носит веро ятностный характер. При оценке ре зультатов тестирования исходят из то го, что положительный эффект имеет преимущество перед отрицательным, а данные, полученные в эксперимен тах in vivo, более весомы, чем анало гичные, полученные in vitro. Согласно этому правилу интегральный положи тельный результат системы КСТ с го раздо большей степенью вероятности свидетельствует о потенциальной кан церогенной опасности препарата, чем общий отрицательный результат об ее полном отсутствии.
Работа по использованию КСТ де лится на несколько этапов. Первый из них основан на проведении систем ной оценки мутагенной активности испытуемого соединения. При этом могут встретиться 4 варианта сочета ний результатов, полученных при ис пользовании двух основных методов (табл. 4.3). В случае варианта 1 делают заключение о наличии канцерогенной
Таблица 4.3. Сочетания положительных
и отрицательных ответов в различных ме тодах при проведении испытаний мутаген ной активности потенциальных канцероге нов
|
Положительные (+) и отрицатель |
||
Ва |
ные (—) ответы |
||
|
|
||
ри- |
генные мута |
хромосомные |
|
ант |
|||
ции у бактерий |
аберрации в клет |
||
|
|||
|
или дрозофилы |
ках костного мозга |
16* |
243 |
Таблица 4.4. Сочетания положительных
и отрицательных ответов в трех группах тестов при прогнозировании канцерогенной активности
|
Положительные (+) и отрицатель- |
||
Ва |
|
ные (—) ответы |
|
ри |
|
|
|
|
|
|
|
ант |
генные |
хромосомные |
поврежде |
|
мутации |
аберрации |
ние ДНК |
1 |
+ |
— |
+ |
2 |
+ |
- |
- |
3 |
— |
+ |
+ |
4 |
— |
+ |
— |
5 |
— |
— |
+ |
6 |
— |
— |
— |
опасности и агент не подвергают дальнейшим испытаниям. В осталь ных трех случаях переходят к следую щему этапу работы.
Проводят уточняющие экспери менты: гес-тест или индукцию SOSответа у бактерий, а также регистра цию внепланового синтеза ДНК в культуре клеток млекопитающих или повреждений ДНК с помощью щелоч ного элюирования.
С учетом первого этапа испытаний могут получиться следующие вариан ты сочетаний ответов (табл. 4.4).
В случае вариантов 1, 3 и 6 даль нейшие испытания прекращают. В случаях 1 и 3 делают заключение о на личии, а в случае 6 — об отсутствии канцерогенной опасности. Для от дельных групп препаратов (например, гормонов), несмотря на отрицатель ные ответы во всех трех группах ис пользованных тестов (вариант 6), мо жет оказаться необходимым примене ние одного из прямых экспресс-тес тов на опухолеобразование (трансфор мацию клеток в культуре или индук цию опухолей у гидробионтов) или хронического эксперимента на млеко питающих. В этом случае заключение об отсутствии или наличии канцеро генной активности определяется соот ветственно отрицательным или поло жительным ответом, полученным в одном из этих двух тестов. Вопрос о
включении в систему испытаний од ного из названных тестов решается путем экспертной оценки. В случаях 2, 4 и 5 (см. табл. 4.4) переходят к сле дующему этапу испытаний. Стратегия работы на этом этапе связана с под тверждением или отрицанием способ ности исследуемого препарата инду цировать определенный тип генетиче ских эффектов. В случае варианта 2 проводят дополнительный учет ген ных мутаций с помощью альтернатив ного метода, способного зарегистри ровать этот тип эффектов. Конкрет ный метод, используемый в работе на этом этапе, зависит от того, какой из методов был применен в ходе мута генной оценки на первом этапе рабо ты. Если на первом этапе был исполь зован, например, учет генных мутаций на бактериях, на данном третьем эта пе работы применяют методы тести рования генных мутаций на дрозофи ле или в культуре соматических кле ток млекопитающих и наоборот.
В случае варианта 4 (см. табл. 4.4) эффект, полученный путем индукции перестроек хромосом или микроядер в клетках костного мозга мышей, про веряют на клетках костного мозга крыс. В случае варианта 5 единствен ный положительный результат, полу ченный с использованием бактерий (гес-тест или индукция SOS-ответа), проверяют на третьем этапе с помо щью методов учета повреждений ДНК в культуре клеток млекопитающих (индукция внепланового синтеза ДНК или обнаружения повреждений ДНК с помощью щелочного элюирования). При получении на данном этапе рабо ты положительного результата в вари антах 2, 4 и 5 делают заключение о наличии у исследуемого агента канце рогенной активности, связанной с ин дукцией определенного типа генети ческих повреждений. При получении отрицательного ответа в случае необ ходимости переходят к заключитель ному этапу испытаний, связанному с использованием одного из прямых экспресс-тестов определения канце рогенной активности. Заключение об
244
отсутствии или наличии канцероген ной активности у исследуемого веще ства делают на основании соответст венно отрицательного или положи тельного ответа, полученного в одном из этих методов. Испытания на промоторную активность проводят не всегда. Они обязательны лишь в слу чае, если препарат предназначен для контингентов, ранее экспонирован ных к инициирующим злокачествен ный рост воздействиям: ионизирую щей радиации, противоопухолевой генотоксической терапии, лечению пуваленом в комбинации с УФ-облуче- нием по поводу псориаза и др.
4.2.3. Мониторинг канцерогенов
Помимо выявления агентов, пред ставляющих канцерогенную опас ность, важнейшей задачей превентив ной онкологии является изучение ди намики содержания этих агентов в биосфере, равно как и эффектов, ко торые они вызывают в организме. Ре шение этих задач предполагает два методических подхода — физико-хи мический и биологический. С помо щью первой группы методов изучают источники образования известных канцерогенов, динамику их поступле ния в окружающую среду, а также на копление и деградацию в тканях. Био логический мониторинг имеет дело с последствиями действия канцерогенов на организм, причем чаще всего с ин тегральным эффектом совокупности факторов как канцерогенных, так и неканцерогенных.
4.2.3.1. Физико-химический мониторинг
Мониторинг внешней экспозиции человека к канцерогенам используют для многих целей, в том числе для установления предельно допустимых доз (ПДД) и предельно допустимых концентраций (ПДК) канцерогенов на рабочих местах и в быту, для изу чения зависимости доза—эффект,
оценки риска возникновения опухо лей и др.
В настоящее время разработаны и повседневно используются многочис ленные методы выявления практиче ски всех известных канцерогенов че ловека, будь то канцерогенные поли циклические углеводороды (ПАУ), нитрополиарены, ароматические ами ны, микотоксины, канцерогенные ме таллы и др. При этом используют приборы для жидкостной и газовой хроматографии, регистрации спектров флюоресценции и люминесценции и т. д. Чувствительность и избиратель ность используемых методов позволя ет обнаруживать канцерогены в мини мальных концентрациях — порядка сотых и тысячных долей микрограмма в пробе.
4.2.3.2. Биологический мониторинг
Недостатком физико-химического мониторинга является то, что с его помощью можно следить за динами кой только известных канцерогенов. Кроме того, он не учитывает особен ностей поступления канцерогенов в организм, например различную сте пень вентиляции легких у разных ин дивидуумов, особенности выделения этих соединений, распределение их в тканях, характер метаболических про цессов и доступность молекулярных мишеней для непосредственных кан церогенных метаболитов. Эти вопро сы изучаются методами биологиче ского мониторинга. Показателями эф фекта при этом являются маркеры, которые условно обозначают как био химические и генетические. Послед ние по методам выявления подразде ляют на цитогенетические и собствен но генетические. Биохимическими методами определяют наличие аддуктов, возникающих в результате ковалентного связывания метаболитов канцерогенов с ДНК или белками. Методами цитогенетики обнаружива ют в клетках микроядра, хромосом ные аберрации и сестринские хрома-
245
тидные обмены (СХО). Среди генети ческих маркеров наиболее часто ис пользуют выявление инактивирующих ГФРТ мутаций в лимфоцитах перифе рической крови или экспрессию гликофорина в эритроцитах людей, гете розиготных по аллелям данного гена.
Чаще всего мониторинг этих эф фектов производят не в тканях, непо средственно подвергающихся злокаче ственной трансформации, а в наибо лее доступных клетках организма, та ких как форменные элементы крови, уротелий или эпителий полости рта.
Содержание аддуктов канцероге нов в ДНК, гемоглобине или сыворо точном альбумине характеризует ве личину биологически эффективной дозы агента, отражающей индивиду альные особенности организма, но этот показатель является довольно кратковременным, поскольку аддукты относительно быстро удаляются в процессе репарации. Цитогенетические и генетические маркеры более постоянны. Существенно, что марке ры, характерные для действия некото рых генотоксичных канцерогенов, об наруживаются не только в случае опу холей, связанных с агентами профес сионального или бытового происхож дения, но и при изучении так назы ваемых спонтанных новообразований человека, когда действующее начало не известно. Например, в ДНК пече ни многих онкологических больных был найден более высокий уровень 04-этилтимидина, чем у неонкологи ческих. Данный аддукт характерен для действия канцерогенных Ν-нитрозо- соединений. У больных раком молоч ной железы в здоровой ткани этого органа в некоторых случаях обнару живают повышенный уровень арома тических аддуктов ДНК. Кроме того, у онкологических больных довольно часто обнаруживают микроядра в клетках крови и мутации по локусу ГФРТ.
Обнаружение определенных марке ров, используемых для биологическо го мониторинга, позволяет предполо жить тип канцерогена, трансформиро
вавшего нормальные клетки в опухо левые. В большинстве ангиосарком, возникающих у человека при работе с винилхлоридом, обнаруживают транс версию AT—ТА, относительно редко встречающуюся в других опухолях че ловека. Характерным маркером рака легкого курильщиков является транс версия GC—AT. Ее уровень коррели рует, кроме того, со стажем курения и его интенсивностью. Такая же транс версия характерна и для гепатоцеллюлярных карцином, возникающих у че ловека в результате действия афлатоксина В[.
4.2.3.2.1. Мониторинг отдельных генотоксических канцерогенов человека
Полициклические ароматические уг-. леводороды (ПАУ). Наиболее надеж ным биохимическим маркером экспо зиции к ПАУ является выделение с мочой 1-оксипирена, а также 1- и 2- нафтола. Показатели экскреции по-, следних двух соединений используют для мониторинга загрязнения воздуха промышленных городов или рабочих мест. В последнем случае на заводах, наиболее загазованных ПАУ (произ водство графитовых электродов для алюминиевой промышленности, кок согазовая промышленность), содержа ние канцерогенов в воздухе коррели рует с уровнем выделения их метабо литов с мочой, а также с содержанием соответствующих аддуктов в ДНК лимфоцитов периферической крови у рабочих. У курильщиков уровень со держания метаболитов ПАУ в моче также значительно повышен.
Аддукты ариламинов с гемоглоби ном указывают на загрязнение окру жающей среды или рабочих мест эти ми соединениями. Они появляются также при курении.
У рабочих, занятых в производстве красителей на основе бензидина, вы зывающего у человека рак мочевого пузыря, показана четкая корреляция между уровнем экспонированности к этому канцерогену, содержанием его
246
метаболитов в моче, содержанием аддуктов в ДНК лейкоцитов периферической крови и в ДНК эпителия мочевыводящих путей. Менее четко выявляются эти показатели при биоло гическом мониторинге моноцикличе ских ароматических соединений типа бензола, вызывающего у человека лейкозы, и стирена. Контакт с первым канцерогеном часто имеет следствием появление гипердиплоидности по 9-й хромосоме в лимфоцитах перифериче ской крови и клетках эпителия рото вой полости. При работе со вторым агентом наиболее регулярно обнару живаются аддукты в ДНК клеток пе риферической крови, а также мутации по локусу ГФРТ, микроядра, сестрин ские хроматидные обмены и хромо сомные аберрации.
Винилхлорид, индуцирующий у че ловека ангиосаркомы печени, вызыва ет хромосомные аберрации в клетках периферической крови, появление микроядер, сестринские хроматидные обмены, ГФРТ-мутации, но не дает аддуктов в ДНК. Точно так же не уда ется обнаружить аддукты в ДНК и при действии этиленоксида, хотя все остальные маркеры биологического мониторинга в этом случае регулярно появляются и их количественные по казатели коррелируют с интенсивно стью экспозиции к агенту.
При лечении онкологических боль ных алкилирующими цитостатиками установлено появление всех маркеров, свидетельствующих об их генотоксическом действии. Для мониторинга этих соединений существенно то, что во многих случаях наблюдается прямая зависимость между дозой цитостатика и показателями его генотоксического действия на нормальные клетки.
Биологический мониторинг куре ния, при котором в организм поступа ет сложная многокомпонентная кан церогенная смесь, позволил устано вить прямую зависимость между со держанием в дыме отдельных канце рогенов и их эффектами. Принят и используется с 1994 г. скрининг ку рильщиков по уровню аддуктов ак-
рилнитрила в гемоглобине, содержа ние в дыме этиленоксида коррелирует с показателями содержания его аддук тов в гемоглобине, а метилирование ДНК зависит от содержания в дыме метилирующих агентов.
4.2.3.2.2. Чувствительность биомаркерного показателя
Сравнительных исследований в этой области пока мало. Наиболее представительные из них выполнены при биомониторинге профессиональ ных групп, экспонированных к алкилирующим канцерогенам — этиленоксиду и ПАУ. Для первого агента чув ствительность методов биомонито ринга убывала в ряду: аддукды гемо глобина, СХО, хромосомные аберра ции, микроядра, ГФРТ-мутации. Для ПАУ наиболее чувствительным пока зателем было наличие СХО. У онко логических больных, получавших алкилирующие химиопрепараты, этот показатель также был наиболее чувст вительным. За ним следовало появле ние микроядер и ГФРТ-мутаций.
Стабильность биомаркеров. Для стратегии мониторинга важно знать стабильность изучаемых маркеров. В зависимости от конкретных задач одни маркеры могут быть более информа тивными для изучения ранних эффек тов, другие — более поздних. В боль шинстве случаев лимитирующим фак тором является длительность жизни клетки, несущей маркер. Большая часть популяции лимфоцитов имеет "период полужизни" от 3 до 4 мес, и только отдельные субпопуляции сохра няются дольше — от 1 года до 6 лет.
Стабильно высокий уровень хро мосомных аберраций у онкологиче ских больных удерживается в течение полугода после окончания курса хи миотерапии. Значительное его сниже ние происходит только через 2 года. Уровень ГФРТ-мутаций при этом на чинает повышаться примерно через 3 мес и сохраняется не менее полутора лет. Еще более стабилен микроядер ный маркер — до 9 лет после оконча-
247
ния курса лечения химиотерапии или облучения. Повышенное содержание в крови лимфоцитов с СХО удержива ется несколько недель после лечения, но следы его могут обнаруживаться и через несколько месяцев. Гликофориновые мутации в эритроцитах также относительно нестабильны. Их уро вень возвращается к исходному в те чение полугода. По некоторым дан ным, у бросивших курить этот показа тель сохраняется дольше.
Показано, что у рабочих, экспони рованных к производственным канце рогенам, высокий уровень микроядер сохраняется не более 90 дней, а СХО — и через 5—10 лет после выхода на пенсию. Что касается хромосомных аберраций, то дольше всего обнару живаются транслокации и инсерции, сохраняющиеся в процессе деления клеток стволовой популяции. Аддукты канцерогена в гемоглобине нестабиль ны. Они персистируют максимум 4 мес после прекращения контакта с канцерогеном. Не все типы аддуктов ДНК имеют одинаковую стабиль ность. После лечения алкилирующими химиопрепаратами типа нитрозометилмочевины повышенный уровень Об-метилгуанина снижается вдвое за сутки, а N7-метилгуанина — за 60 ч. Более стабильны аддукты ПАУ, кото рые в ДНК лимфоцитов перифериче ской крови имеют период "полувыве дения" не менее 2—3 мес, а в ткани легких обнаруживаются в течение не скольких лет после экспозиции.
4.2.3.2.3. Репрезентативность тканей, используемых для целей мониторинга
Как уже упоминалось в начале это го раздела, биомаркеры изучаются ча ще всего не в тех тканях, где иссле дуемый канцероген может вызвать опухоль, а в других, которые более доступны и которые без особого ущерба можно брать многократно. Мониторинг канцерогенов табачного дыма показал, что существует хоро шая количественная корреляция меж
ду показателями содержания аддуктов
вДНК лимфоцитов и клеток легкого.
Вслучае профессионального канцеро гена бензидина адекватным показате лем содержания аддуктов в ДНК кле ток мочевыводящих путей также явля ются периферические лимфоциты. Они же адекватно отражают уровень аддуктов в печени и легких, появляю щихся при воздействии на человека канцерогенных ПАУ.
Таким образом, для биологическо го мониторинга генотоксичных кан церогенов в организме человека впол не адекватным объектом являются пе риферические лимфоциты.
Связь между повышением уровня биомаркеров, индуцируемых в орга низме человека генотоксичными кан церогенами, и риском возникновения рака не вызывает сомнений. В то же время количественная оценка этого риска по данным мониторинга с ис пользованием биологических марке ров пока невозможна. Подходы к этой проблеме разрабатываются нг основе анализа наиболее известных данных об эффектах, вызываемых у человека курением или окисью этилена ("кури тельный эквивалент" и "эквивалент окиси этилена"). Теоретические рас четы, сделанные на этой основе с ис пользованием многочисленных упро щений и допущений, показали, в ча стности, что повышение уровня пока зателей различных биомаркеров по сравнению с фоном может иметь раз ные последствия для учащения онко логической заболеваемости. В частно сти, удвоение числа хромосомных аберраций, микроядер или СХО по
этим расчетам должно дать в 1015 раз больше дополнительных случа ев рака, чем удвоение уровня аддуктов в ДНК или ГФРТ-мутаций.
4.2.3.2.4. Индивидуализация мониторинга действия канцерогенов
Индивидуальная чувствительность к канцерогенным воздействиям опре деляется двумя основными явления-
ми — многостадийным характером процесса канцерогенеза и генетиче ским полиморфизмом факторов, иг рающих ведущую роль на каждой его стадии. Для индивидуального монито ринга в настоящее время наиболее су щественно знать особенности метабо лизма канцерогена у данного индиви дуума — его активацию, детоксикацию и показатели репаративных про цессов. Известно, что в человеческой популяции можно обнаружить более 1 % индивидуумов, резко различаю щихся по толерантности к тем или иным лекарственным препаратам. Это носители редких аллелей ферментов, метаболизирующих данные препара ты. Промежуточные варианты встре чаются значительно чаще.
Генетический полиморфизм фер ментов первой фазы метаболизма кан церогенов описан для холинэстеразы, арилэстеразы, альдегидгидрогеназы, алкогольдегидрогеназы, флавинсодержащих монооксигеназ и изоформ цитохрома Р450. Среди ферментов вто рой фазы — для уридиндифосфатглюкуронилтрансферазы, сульфотрансферазы, Ν-ацетилтрансферазы, глютати- oH-S-трансферазы, Ν-акрилтрансфе- разы, Ν-, О- и S-метилтрансфераз.
Среди представителей отдельных этнических групп активность фермен
тов, |
метаболизирующих |
ксенобиоти |
ки, |
может значительно |
различаться. |
Альдегиддегидрогеназа |
практически |
не экспрессируется у 2—30 % корен ных жителей Азии, а алкогольдегидрогеназа — у 85—98 %. Среди евро пейцев такие варианты встречаются реже — в 5—20 % случаев. В то же время потеря активности Ν-ацетил- трансферазы-2 чаще наблюдается сре ди европейских народов, чем среди азиатских, и т. д. Наиболее изучен ным с этой точки зрения является по лиморфизм цитохрома Р450, изоформы которого активируют целый ряд канцерогенов. Существенно, что для
определения их |
активности |
могут |
быть подобраны |
индикаторные |
суб |
страты, т. е. неканцерогенные соеди нения, метаболизируемые этими же
изоформами. Это дает практическую возможность для мониторинга групп повышенной чувствительности к не которым бытовым и промышленным канцерогенам.
Для одной из вышеупомянутых изоформ цитохрома Р450 (CYP1A1), активирующей канцерогенные углево дороды, была установлена корреляция между наличием мутации Val -» Ilе в 462-м кодоне 7-го экзона (в двух алле лях) и увеличением риска возникно вения рака легкого в 9 раз при куре нии сигарет даже в умеренном коли честве. Вторым условием проявления такой корреляции было отсутствие ак тивности фермента второй фазы мета болизма ксенобиотиков — GSTM1- глютатион-S-трансферазы Ml. Суще ствует пример и противоположного влияния. Среди субстратов, активи руемых изоформой CYP2D6, находит ся нитрозонорникотин — один из канцерогенных нитрозаминов, содер жащихся в дыме сигарет. В связи с этим было показано, что нуль-фено тип, проявляющийся у гомозигот с мутантной изоформой CYP2D6, имеет пониженную чувствительность к кан церогенному действию курения.
Полиморфизм детоксицирующих ферментов столь же существенен для канцерогенеза у человека, как и поли морфизм активирующих. По активно сти N-ацетилтрансферазы-2 популя ция может быть разделена на быстрые ацетиляторы, медленные и промежу точный вариант. При этом в отноше нии крайних форм наблюдаются большие различия по способности детоксицировать канцерогенные арома тические амины. Уровень ферментной активности зависит от наличия одного из трех аллелей, встречающихся в по пуляции с различной частотой. Гомо зиготы по первому аллелю являются быстрыми ацетиляторами, гомозиготы по третьему — медленными, а гетерозиготы '/2 и '/з имеют промежуточную активность. На примере рабочих, экс понированных к канцерогенам моче вого пузыря — бензидину, 4-аминоби- фенилу и 2-нафтиламину, показано,
249
что у медленных ацетиляторов рак мочевого пузыря возникает в 2—9 раз чаще.
Глютатион-S-трансфераза Т1 уча ствует в детоксикации моногалометанов. Примерно 80 % человеческой по пуляции обладают способностью конъюгировать эти соединения с глютатионом, у остальных она отсутству ет. Очевидно, что эти соединения бо лее чувствительны к генотоксическому действию моногалометанов.
Существование больших индиви дуальных различий в повреждаемости ДНК алкилирующими агентами из вестно из наблюдений над онкологи ческими больными. Количество раз рывов в ДНК лимфоцитов у отдель ных больных при идентичном курсе химиотерапии может различаться в сотни раз, что свидетельствует о боль шей или меньшей их предрасполо женности к возникновению вторич ных опухолей.
Такого рода предрасположенность может зависеть и от наличия первич ных терминальных дефектов в генах, продукты которых осуществляют по ложительную или отрицательную ре гуляцию пролиферации, а также уча ствуют в процессах репарации ДНК. Для таких лиц опасен даже фоновый уровень эндогенных и экзогенных канцерогенов, что следует учитывать в процессе мониторинга.
Таким образом, мониторинг инди видуальной чувствительности к кан церогенному воздействию складывает ся из молекулярной дозиметрии экс
позиции и анализа факторов генети ческой предрасположенности.
Рекомендуемая литература
Абилев |
С. |
К., Любимова |
И. К. Метод QSAR |
и |
его |
роль в общей |
процедуре тестиро |
вания генотоксичности // В кн.: Мута гены и канцерогены в окружающей
среде |
/ |
С. Г. |
Инге-Вечтомов |
и |
В. В. |
||||||
Худолей. - СПб., 1998. - С. 117-125. |
|||||||||||
Белицкий |
Г. А. |
и |
др. |
Методические |
указа |
||||||
ния |
по |
прогнозированию |
канцероген |
||||||||
ное™ |
фармакологических |
средств |
и |
||||||||
вспомогательных |
веществ |
в |
кратко |
||||||||
срочных |
тестах // В кн.: |
Руководство |
|||||||||
по |
экспериментальному |
(доклиниче |
|||||||||
скому) |
изучению |
новых фармакологи |
|||||||||
ческих веществ. — Μ.: МЗ РФ, 2000. — |
|||||||||||
С. 66 - 86 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Ames В., |
Gold |
L. |
Paracelsus to |
parascience: |
|||||||
the environmental cancer distraction // |
|||||||||||
Mutat. Res. - 2000. - Vol. 447. - P. 1- |
|||||||||||
13. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ho N., Shirai Т., Hasegava R. |
Medium-term |
||||||||||
bioassays for carcinogens // Vainio H., |
|||||||||||
Magee P., McGregor D. and McMichael / |
|||||||||||
eds. |
— |
|
IARC |
Scientific |
Publications |
||||||
N |
116. |
Mechanisms |
of carcinogenesis |
in |
|||||||
risk |
identification. |
— |
Lyon: |
IARC |
Press, |
||||||
1992. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Sills R., |
French |
J., |
Cunningham M. New |
mod |
|||||||
els for assessing carcinogenesis: An ongo |
|||||||||||
ing process // Toxicol. Letters. — 2001. — |
|||||||||||
P. 187-198. |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Tennant, |
R. |
W et al. IARC Scientific |
Publica |
||||||||
tions. McGregor D. В., Rice J. M., Venitt |
|||||||||||
S. / |
Eds. Genetically |
altered |
mouse mod |
els for identifying carcinogens. The use of short-term and medium-term tests for car cinogens and data on genetic defects in carcinogenic evaluation. — Lyon: IARC Press, 1999.