ЛЕКЦИЯ 10. Лекция факторы, определяющие эффективность мутагенного (канцерогенного) воздействия
 Скачать 85 Kb.
|
|
ЛЕКЦИЯ Факторы, определяющие эффективность мутагенного (канцерогенного) воздействия Большинство химических мутагенов является веществами чужеродными для организма (ксенобиотиками). Как и всякий ксенобиотик, мутаген претерпевает в организме ряд превращений, которые условно можно разбить на ряд этапов. Мутаген должен проникнуть в организм, преодолев покровные ткани. Прохождение мутагена в организм может измениться в зависимости от состояния организма и покровов в том месте, где такое прохождение осуществляется. Попав в организм, мутаген должен быть доставлен к клеткам-мишеням, в которых он вызывает мутации. При проникновении мутагена в клетку-мишень вновь возникает проблема его прохождения через клеточную мембрану, которая в ряде случаев отличается от той, которую ему пришлось преодолеть проходя через покровные ткани. В цитоплазме клетки мутаген сталкивается со многими ферментными системами. Эти ферменты могут разрушить молекулу мутагена, в результате чего он утратит свои мутагенные свойства, но часто возникает и противоположная ситуация, когда метаболиты данного ксенобиотика оказываются более мутагенными, чем исходное вещество. Тогда говорят о метаболической активации. В результате взаимодействия с хромосомами клетки мутаген вызывает в них потенциальные изменения, которые могут реализовываться в истинные мутации или быть "залечены" ферментными системами, следящими за постоянством структуры ДНК и репарирующими любые нарушения ее, возникающие как спонтанно, так и под влиянием разнообразных мутагенных воздействий. Условный характер этой схемы объясняется тем, что в организме все происходит более сложно и не всегда в таком порядке. Так, уже на стадии проникновения мутагена в организм через покровные ткани возникает проблема прохождения его через клеточную мембрану. Также как и внутри клетки, в покровной ткани начинаются некоторые процессы метаболизма мутагенов. Наиболее активно процесс метаболических превращений мутагенов протекает не в клетках-мишенях, а в клетках печени, и уже затем по системе кровотока транспортируются не исходные вещества, а их мутагенные метаболиты. Не для всех мутагенов требуется метаболическая активация. Существуют и, так называемые, прямые мутагены (например, алкилирующие агенты). Но в целом схема верна и, несмотря на условный характер, представляется полезной, так как позволяет проанализировать разные этапы мутагенеза. При анализе мутагенного воздействия следует учитывать и то обстоятельство, что ксенобиотик воздействует на организм не как единственный фактор, а на фоне других. Даже при лекарственной монотерапии, действие основного вещества происходит на фоне множества других, входящих в состав лекарства в качестве наполнителя, стабилизатора, красителя, подсластителя, не говоря уже о профессиональных и других воздействиях. При этом одни химические соединения могут быть по отношению к другим модификаторами мутагенного действия, т.е. сенсибилизаторами, антимутагенами и комутагенами. В свете вышеизложенного факторы, определяющие эффективность мутагенного воздействия можно условно разбить на 2 группы: внешние - экзогенные, и внутренние - эндогенные. Влияние способа поступления в организмКак отмечалось выше, любое мутагенное воздействие проходит длительный путь от момента проникновения в организм до возникновения мутации в той или иной соматической или генеративной клетке. На этом пути оно претерпевает большие или меньшие модификации своей структуры, в результате которых его мутагенные потенции возрастают или, напротив, уменьшаются. Ниже рассматриваются отдельные этапы токсикокинетики мутагенов. Кожа. Поверхность кожного покрова взрослого человека составляет 1.5-2 м2. Кожа представляет собой сложную тканевую систему, образованную эпидермисом, дермой и подкожной жирововой клетчаткой. Основную барьерную функцию выполняет многослойный ороговевающий эпителий, составляющий эпидермис. Мутагены проникают через кожу различными путями в зависимости от их химической структуры и, в первую очередь, от их способности растворяться в воде и липидах. Они могут проникать между клетками, проходить через клетки эпидермиса, через потовые и сальные железы или через волосяные фолликулы. Большая часть мутагенов проходит через клетки эпидермиса. Естественные поры кожи принимают малое участие в проникновении мутагенов, так как их площадь очень невелика (10 м2). Лишь некоторые мутагены проходят через поры кожи. После прохождения рогового слоя часть мутагенов задерживается в более глубоких слоях кожи за счет связывания их белками клеток эпидермиса или клетками жировой ткани, что также определяется структурой соответствующих мутагенов. Так, соли тяжелых металлов связываются белками, в то время как липофильные вещества - клетками жировой ткани. Такое связывание играет двоякую роль: с одной стороны, мутагены задерживаются и их концентрация в крови нарастает не столь стремительно, но, с другой - в коже создается депо мутагенов, из которого они могут переходить в кровь длительное время, и этот переход не всегда бывает равномерным. Ряд физиологических и патологических процессов могут приводить к внезапному выбросу из такого депо большого количества мутагенов. Большое влияние на скорость прохождения тех или других мутагенов через кожу имеет ее физиологическое состояние. Увеличение температуры кожи, увлажнение ее, ускоряет прохождение через нее различных веществ. Существенное влияние на проницаемость кожи для химических мутагенов имеет изменение ее рН. Проницаемость кожи резко повышается при мацерации рогового слоя, при смазывании кожи раздражающими веществами, усиливающими кровоток. Ионизирующие излучения, деполимеризующие гиалуроновую кислоту, увеличивают проницаемость кожи для химических мутагенов. Увеличивают проницаемость кожи и ряд патологических процессов. Толщина рогового и блестящего слоев кожи не одинакова на разных участках тела. С этим, а также с неодинаковостью кровоснабжения кожи на разных участках тела, связаны различия в способности разных участков кожи пропускать мутагены. Вероятно, оно больше в так называемых активных точках, широко используемых в восточной медицине как точки для иглоукалывания. Капли мутагенов, попадая в такие зоны могут более легко проникать в организм по сравнению с теми, которые попали на другие участки кожи. Слизистая дыхательных путей. Газообразные мутагены, а также мутагены в виде пылевых частиц поступают в организм через дыхательные пути. Таких мутагенов много. Это выбросы химических и других промышленных предприятий, выхлопные газы автомобилей, распыляемые над полями пестициды, табачный дым, бытовые препараты в аэрозольной упаковке и просто бытовая пыль. Уже в носу начинается взаимодействие мутагенов со слизистой оболочкой. Слизистая оболочка носа обладает достаточно большой площадью и хорошо кровоснабжается. Вероятно, часть прилипших к слизистой носа частиц может уже там подвергаться метаболическим превращениям. Показано, что в эпителии слизистой носа экспрессируется ген CYP2A3, фермент которого способен превращать в мутагены такие промутагены как N-нитрозодиметиламин, N-нирозодиэтиламин, афлатоксин В1. Активированные метаболиты этих промутагенов могут действовать как местно, в полости носа, так и поступать в кровеносное русло. Легкие идеально приспособлены для проникновения газов. Общая поверхность альвеол взрослого человека составляет 50-80 м2, а суммарное диффузное расстояние, которое приходится преодолевать газу на пути черех альвеолярный эпителий, интерстициальное пространство между основными мембранами, эпителий капилляра, плазму крови и мембрану эритроцита составляет всего 1 мкм. Поэтому легкие наравне с желудочно-кишечным трактом являются одним из основных путей поступления мутагенов в организм. Желудочно-кишечный тракт. Желудочно-кишечный тракт служит основными воротами поступления в организм большинства мутагенов. Этим путем мутагены поступают в кровь в виде остатков пестицидов, неорганических удобрений, микотоксинов грибов, солей тяжелых металлов и многих других химических соединений. Начальный этап метаболических превращений мутагенов и их всасывание осуществляется в различных отделах желудочно-кишечного тракта с разной интенсивностью. Клетки слизистой желудка человека вырабатывают 2-3 литра желудочного сока в сутки. Желудочный сок, вырабатывающийся натощак, обладает нейтральной или щелочной реакцией и состоит, главным образом из воды, слизи и электролитов. Желудочный сок, вырабатываемый при приеме пищи, из-за содержания соляной кислоты обладает сильнокислой реакцией (рН 0.8-1.5). В нем содержатся такие органические вещества, как пепсин (смесь ферментов, расщепляющих белки - эндопротеаз), муцин (желудочная слизь), внутренний фактор, необходимый для всасывания витамина В12, а также липаза, физиологическая роль которой невелика. Кроме того, в "активном" желудочном соке содержатся катионы – Na+ , K+ , Mg 2+ и анионы – HPO42+ , SO42+ . Безусловно, высокореактивный желудочный сок принимает существенное участие в процессах изменения активности ряда мутагенных соединений, хотя прямые экспериментальные данные, направленные на выяснение этого вопроса нам не известны. В тонком кишечнике происходит всасывание большей части веществ, поступивших в организм через желудочно-кишечный тракт. Общая площадь поверхности кишечника человека равна приблизительно 200 м2. Соответственно, в тонком кишечнике всасываются и многие мутагены. В тонком кишечнике всегда имеется бактериальная флора (Escherichia coli, Aerobacter aerogenes и некоторые виды непатогенных кокков). Бактериальная флора кишечника принимает определенное участие и в процессах метаболических превращений ряда мутагенов, активируя одни и дезактивируя другие. В качестве примера рассмотрим случай биотрансформации 2-ацетиламинофлуорена (2-ААФ). Изучение меченого 2-ААФ показало, всасывание препарата осуществляется в основном в тонком кишечнике с последующим транспортом с кровью в печень. В печени происходят существенные метаболические изменения 2-ААФ, заключающиеся, главным образом в С- и N- гидроксилировании и конъюгации с глюкуроновой и серной кислотами. С-гидроксилирование ведет к детоксикации 2-ААФ, в то время как N-гидрокилирование приводит к появлению мутагенности. Часть 2-ААФ и его метаболитов попадает из печени в общий кровоток и выводится почками в мочу. Другая часть возвращается в кишечник с желчью. Частичная реадсорбция возвращает некоторую часть метаболитов опять в кровь, тогда как оставшаяся выделяется фекалиями. У крыс эти процессы протекают быстро: через 3-4 дня 2/3 дозы обнаруживается в моче, 1/3 в фекалиях и только 5% остается в организме. Кровь и лимфа. Мутаген транспортируется от места проникновения в организм до клеток-мишеней по системе лимфо- и кровообращения. Как правило, имеет место не пассивное растворение мутагенного соединения в воде этих жидкостей (многие мутагены гидрофобны), а их активное связывание с веществами, содержащимися в жидкой части крови. Чаще всего в виде транспортных веществ выступают белки (альбумины крови). Связывание мутагена с белком крови имеет двоякое значение. С одной стороны, это снижает концентрацию в крови активного мутагена (то есть снижает его активность), но с другой, создает своеобразное депо мутагена и защищает его от процессов разрушения. Кроме того, в ряде случаев такое связывание мутагенного соединения с белком способствует его более успешному транспорту через наружную плазматическую мембрану клетки-мишени за счет связывания такого белка со специфическими рецепторами на поверхности мембраны. Специфичность связывания мутагена с тем или иным белком может явиться ключевым моментом в кажущейся избирательности действия некоторых мутагенов на определенный тип клеток. На наличие в крови данного индивида тех или иных транспортных белков влияют наследственные факторы и ряд патологических состояний. В транспорте некоторых мутагенов принимают участие и форменные элементы крови - эритроциты и некоторые лимфоциты. На этот процесс также влияют некоторые наследственные и средовые факторы. Все это создает предпосылки для формирования отдельных аспектов индивидуальной чувствительности к мутагенам на этапе их транспорта от места проникновения в организм до соответствующих клеток-мишеней, а, возможно, и в выборе таких клеток. Цитоплазма. Преодолев плазматическую мембрану мутаген оказывается в цитоплазме, где встречается с ее ферментативными системами. Под их влиянием, как мы отмечали выше, происходит комплекс метаболических превращений, приводящих к снижению мутагенной активности или, напротив, метаболической активации, то есть превращению промутагена в активный мутаген. Эти изменения во многом определяются уровнем активности соответствующих ферментов, который имеет индивидуальный характер, зависящий от наследственных особенностей, а также от условий жизни данного индивида. Среди последних большую роль играют так называемые бытовые факторы: курение, алкоголизм и другие токсикомании, уровень использования косметических и лекарственных препаратов. Многие из последних не только сами по себе являются мутагенами, но и тем или другим способом сказываются на уровне проявления мутагенного действия других химических соединений. Иногда такие вещества называют комутагенами. ХИМИЧЕСКИЙ КАНЦЕРОГЕНЕЗ Стадии химического канцерогенеза: инициация, промоция Сложная цепь событий химического канцерогенеза подразделяется на две основные группы - инициацию и промоцию. Возникшая опухоль развивается по законам опухолевой прогрессии. Двухстадийная модель химического канцерогенеза, предложенная около 50 лет тому назад Беренблюмом, получила подтверждение на многочисленных моделях (при индукции опухолей кожи, печени, пищевода, желудка, толстого кишечника, мочевого пузыря, молочной железы, трахеи, легких и т.д.) и является в настоящее время общепринятой. Классификация химических канцерогенов В настоящее время известны химические вещества, способные действовать на каждую из этих стадий канцерогенеза и, таким образом, реализовывать свой канцерогенный потенциал. В связи с этим, классификация канцерогенных соединений выглядит в настоящее время следующим образом (табл 1). Таблица 1. Классификация химических канцерогенов ____________________________________________________________ Тип Примеры ____________________________________________________________ ДНК-тропные канцерогены- прямого действия алкилирующие агенты - проканцерогены полициклические ароматические углеводороды, нитрозамины - неорганические соли ряда металлов* Эпигенетические канцерогены- промоторы фенобарбитал, сахарин - цитотоксические агенты - - прямого действия ацетонитрил d-лимонен - - непрямого действия -агонисты - гормональные модификаторы эстрогены - иммунодепрессанты циклоспорин - индукторы пероксисом клофибрат Не классифицированные- смешанная группа диоксан, метаперилен,гидразин - неорганические соли ряда металлов ____________________________________________________________ *В зависимости от типа металла, их соли могут проявлять канцерогенные свойства либо по генотоксическом механизму, либо эпигенетически , например, путем нарушения точности работы ДНК-полимеразы Эпигенетические канцерогены Ряд канцерогенов человека не обнаружил генотоксических свойств в скрининговых тестах. Такой же результат был получен и при более углубленном их изучении. Некоторые соединения, канцерогенные для животных, оказались неспособными формировать аддукты с ДНК, повреждать ее, вызывать мутации или нарушать структуру хромосом. По данному принципу эти соединения были объединены в группу эпигенетических канцерогенов. Таким образом, в настоящее время понятие “эпигенетический канцероген” несет в себе больше отрицательного содержания, нежели положительного, говорящего об определенном механизме действия. Таких механизмов предполагается несколько, причем в ряде из них на определенном этапе мутации возникают опосредованно либо процесс эпигенетического канцерогенеза служит селекции предсуществующих мутантных клеток, возникающих спонтанно. Негенотоксические канцерогены могут обладать промоторными свойствами, проявлять цитотоксичность, ингибировать иммунитет, изменять гормональный обмен или вызывать пролиферацию пероксисом. Другими признаками негенотоксических канцерогенов являются: митогенные свойства, способность ингибировать апоптоз, индуцировать цитохром Р-450, ингибировать межклеточные контакты, изменять экспрессию генов. В соответствии с двухстадийным механизмом канцерогенеза, для промоторов пoстулируется эпигенетический механизм действия, который по сути совпадает с эффектами негенотоксических канцерогенов. Следует добавить, что все канцерогены можно условно подразделить еще на полные и неполные. Большинство канцерогенов являются полными, так как они могут вызывать опухоли без дополнительного воздействия другими агентами. При этом инициирующий и промоторный эффект обеспечивается различными их производными, возникающими в процессе метаболизма. К неполным канцерогенам относятся промоторы, что же касается “чистых” инициирующих агентов, то существование их весьма проблематично. В табл.6 приведены примеры предполагаемого патогенеза “эпигенетических” опухолей у грызунов. Выше упоминалось, что эпигенетические канцерогены могут повреждать ДНК опосредованно - путем изменения некоторых внутриклеточных или внеклеточных процессов. К первым относится метилирование цитозина, вызываемое некоторыми соединениями. Иллюстрацией вторых может служить эффект пролифераторов пероксисом, которые повреждают ДНК с помощью Н2О2 , образующейся при перекисном окислении липидов. Механизм канцерогенного действия агентов, стимулирующих пролиферацию, может состоять в создании благоприятных условий для селекции мутантных клеток, возникших спонтанно, или увеличивать число ошибок при репликации ДНК. На уровне организма эпигенетические канцерогены могут давать возможность Таблица 2. Эпигенетические канцерогены грызунов: агенты и предполагаемые пути патогенеза
? - механизм действия (патогенез) не изучен проявиться латентным опухолевым зачаткам путем ингибирования клеточного иммунитета, нарушения гормонального баланса или промотирующих эффектов типа нарушения межклеточного гомеостаза. |