Модифікуючий вплив хімічних факторів навколишнього середовища на канцерогенез. Реферат
Хімічні речовини (NO2, фенол, ФА, о-К) при будь-якому надходженні в організм (органи дихання, шлунково-кишковий тракт) синхронно з канцерогеном (БП) можуть здійснювати модифікуючий ефект на канцерогенез, що проявляється в його активації та підкоряється залежності "доза-ефект", "доза-час"
Фундаментальні дослідження у різних областях медицини (фармакологія, токсикологія, клінічна та експериментальна онкологія та ін.) свідчать про те, що у виникненні пухлин важливе значення мають не лише ініціюючі агенти, що викликають трансформацію нормальної клітини у пухлинну, але й неканцерогенні хімічні сполуки, ефект котрих може проявлятися як у підсиленні, так і у гальмуванні канцерогенезу [3]. Є повідомлення про стимуляцію канцерогенезу хімічними факторами навколишнього середовища (сірчистий ангідрид, оксиди азоту, фенольні сполуки і т. ін. [15,18]).
Слід зупинитись на роботі вітчизняних сучасних дослідників [31], що проводили дослідження у даному напрямку на базі Українського наукового гігієнічного центру МОЗ України. Вони встановили, що при одночасному впливі канцерогену та інших хімічних сполук, що вивчаються, в дозах, помірно токсичних та близьких до мінімально активних, відмічена активація канцерогенезу (досліджувались особливості канцерогенезу при дії убіквитарних хімічних комплексів, присутніх поряд з такими забрудниками навколишнього середовища, як бенз (а) пірен (БП), диоксид азоту (NO2), формальдегіду (ФА) та фенольних сполук (фенолу (ф) орто-крезолу (о-К) - в залежності від дози та режиму надходження в організм).
Весь діапазон виконаних ними досліджень дозволяє сформулювати ряд загальних положень.
Хімічні речовини (NO2, фенол, ФА, о-К) при будь-якому надходженні в організм (органи дихання, шлунково-кишковий тракт) синхронно з канцерогеном (БП) можуть здійснювати модифікуючий ефект на канцерогенез, що проявляється в його активації та підкоряється залежності "доза-ефект", "доза-час".
Активація канцерогенезу відбувається передусім у органах-мішенях та виражається у збільшенні частоти доброякісних та злоякісних новоутворень та скороченню латентного періоду 1-ї пухлини та середнього часу їх розвитку: ФА, окрім того, призводить до збільшення сумарного виходу новоутворень різних органів за рахунок розширення спектру локалізації, що, вірогідно, пов‘язано з особливостями імунотоксичного впливу його як алергенту на окремі ланки імунної системи.
Посилення канцерогенного ефекту характеризується також змінами інших параметрів канцерогенезу (локалізація, різноманітність гістологічних типів), що залежать від шляху надходження та специфічних властивостей модифікатору (токсичні, алергічні та ін.), виду тварин.
Встановлена залежність модифікуючого ефекту від режиму введення токсичного та канцерогенного агентів:
- найбільш небезпечним є одночасний вплив канцерогену та токсиканту, при котрому активація бластомогенезу проявляється найбільш інтенсивно за усіма якісними та кількісними параметрами канцерогенезу;
- введення канцерогенних речовин у різній послідовності здійснюють різний за напрямком вплив на канцерогенез у залежності від речовини, що вивчається, та шляху введення (тенденція до гальмування канцерогенезу при пероральному введенні фенольних сполук до та після канцерогену, тенденція до активації при інгаляційному затравленні тварин ФА після канцерогену та відсутність модифікації при його впливі перед канцерогеном).
Комбінований вплив усіх речовин на рівні ГДК їх для навколишнього середовища не призводить до підсилення канцерогенезу.
Дозо-ефектна залежність канцерогенного ефекту від дії комплексу "канцероген- модифікуюча речовина" свідчать про те, що найбільш ефективною мірою первинної профілактики злоякісних пухлин у населення є дотримання гігієнічних нормативів цих речовин.
Не менш важливим є питання вивчення коканцерогенної активності хімічних сполук. Декотрі речовини, що самі по собі не мають канцерогенної активності, при надходженні в організм, можуть активувати дію слабких доз канцерогенних речовин, що тим або іншим шляхом надійшли до організму.
Продовження досліджень у цьому напрямку необхідно для розширення та поглиблення уявлень про механізм впливу модифікаторів на канцерогенез, з одного боку, та вдосконалення методології гігієнічного нормування факторів навколишнього середовища з урахуванням їх комбінаторної та комплексної дії на організм, з іншої.
Дослідження впливу онкогенних факторів на біоценози
У наш час особливої актуальності набувають проблеми онкоекології, де ведуться дослідження впливу онкогенних факторів на біоценози. Цей новий підхід припускає дослідження популяційних ефектів циркулюючих канцерогенних речовин з ціллю інтегральної оцінки стану різних екосистем, визначення організмів-індикаторів забрудненості навколишнього середовища канцерогенами та контролю за їх вмістом.
Визначення наслідків впливу канцерогенних сполук у екосистемах здійснюється за допомогою основних методик біоекологічного аналізу організмів, популяцій та біоценозів. Серед прісноводних та морських гідробіонтів найбільшу цікавість представляють мідіі, мезопланктон та декотрі види водоростей, що мають велику здатність до накопичення ПАВ.
Епідеміологічний аналіз пухлинних захворювань серед декотрих популяцій риб дозволяє зв’язати підвищення частоти виникнення пухлин з ступенем забруднення водойм промисловими та побутовими стічними водами, нафтопродуктами, виокремлювати природні популяції риб, найбільш чутливих до впливу канцерогенних факторів у водних екосистемах. Схожі дослідження дають уяву про інтегральну дію усіх як бластомогенних, так і модифікуючих факторів протягом довгострокового періоду, тоді як фізико-хімічний аналіз проб води дозволяє виявити лише окремі речовини.
У ґрунтовому мікробіоценозі до впливу бенз (а) пірену (БП) (як найбільш розповсюдженого канцерогену) найбільш чутливі ґрунтові гриби, актиноміцети, спорові бактерії, кількість яких по мірі збільшення концентрації у ґрунті БП знижується. Незворотні зміни у ґрунтовому мікробіоценозі розвиваються при довгострокових впливах малих доз канцерогенів. У якості фітоіндикаторів забруднення біосфери ПАВ пропонується використовувати хвою сосни звичайної, ступінь забруднення котрої БП корелює з концентрацією останнього в атмосфері.
Актуальною задачею онкоекології є вивчення ролі фізико-хімічного оточення середовища проживання та живих організмів у циркуляції канцерогенів. Утворення та циркуляція канцерогенів добре вивчена на прикладі декотрих абіогенних канцерогенів (ПАВ), біогенних (мікотоксинах), антропогенних (бластомогенних нітрозосполуках), гербіцидах та пестицидах.
Схема 2. Схема циркуляції канцерогенів у навколишньому середовищі
Схема 3
Схема 4. Основні шляхи транспорту хімічних речовин (включаючи канцерогенні речовини) в навколишньому природному середовищі та шляхи їх надходження в організм людини
Загальні принципи дослідження бластомогенної активації потенційно-токсичних хімічних речовин
Спеціально видані методичні рекомендації регламентують умови та методи дослідження бластомогенних речовин. Саме біотестування хімічних сполук включає в себе скринінг (відбір) речовин з припустимою канцерогенністю та перевірку їх активності. Основними критеріями відбору є:
- хімічна структурна схожість з відомими хімічними канцерогенами (при цьому приймається до уваги схожість шляхів метаболізму в організмі та зв’язок структури хімічної сполуки з трансформуючою дією);
- наявність гормоноподібних ріст-стимулюючих властивостей, здатності до алкілування молекул клітин та цитостатичних властивостей;
- поширеність у основних складових частинах екосистем (ґрунті, воді, повітрі);
- наявність епідеміологічних даних про підвищення частоти виникнення злоякісних пухлин у організмів (у тому числі і людей), що контактують з тими чи іншими речовинами.
Встановлення кореляції між мутагенними та канцерогенними властивостями бластомогенних факторів сприяло розробці короткострокових тестів виявлення канцерогенів, основаних на реєстрації генних мутацій, хромосомних аберацій, ДНК-пошкоджуючих ефектів у прокаріотичних та еукаріотичних організмів, рослин, дрозофіли, в культурах клітин ссавців та людини in vitro.
Серед експрес-тестів найбільш розроблений та розповсюджений тест Еймса, в котрому у якості об’єкту впливу використовуються бактерії Salmonellae tiphymurium, що дають можливість реєструвати як прямі, так і зворотні мутації. Для тестування тих хімічних сполук, трансформуючий ефект котрих проявляється лише після їх метаболічної активації, використовуються тест-системи, доповнені активаторами метаболізму канцерогену (мікросоми печінки), або культури клітин ссавців (гепатоцити щурів). Порівняльний аналіз найвідоміших сучасних експрес-тестів наводиться у таблиці 1.
Таблиця 1. Короткострокові тести для виявлення мутагенних та канцерогенних хімічних речовин
Методи, що широко використовуються | Загальні стислі дані про метод | Переваги тесту | Недоліки тесту | Маркети мутагенної дії хімічних речовин, що тестується |
Тести на мутагенність з використанням бактерій | Використ. Salmonella typhimurium/ або Escherichia coli/ мікросоми. . Існує 3 класи бактеріальних тестів: 1) ті, що дозволяють виявити зворотні мутації; 2) ті, що дозволяють виявити прямі мутації; 3) ті, що мають недостатність по репарації ДНК.
| 1) швидкий поділ одноклітинних організмів; 2) добре вивчена генетика та біохімія бактерій; 3) високий ступінь доступності геному бактерій; 4) позитивний результат свідчить про те, що речовина є потенційно мутагенною або канцерогенною для ссавців | 1) відсутність безумовної кореляції між мутагенністю та кнцерогенністю факторів; 2) нездатність виявити хімічні речовини, що викликають рак не в результаті пошкоджень ДНК; 3) не виявляє геномні порушення; 4) штучність методу, що проходить у пробірці та з застосуванням S9, що не відображають реальної метаболічної ситуації в печінці. | Мутація his- до his+ для Salmonella typhimurium та trp- до trp+ для Escherichia coli: 1) заміна пар основ; 2) зсув рамки зчитування |
Дослідження генотоксич-ності з вико-ристанням дріжджів | Застосовуються дріжджі Saccharomyces cerevisiae та Saccharomyces pombe | 1) еукаріотична організація хромосом; 2) можливість оцінки багатьох кінцевих подій; 3) низька вартість тесту при високій ефективності | 1) потреби моделювання метаболічних процесів, що проходять у клітинах ссавців;2) зваження на особливості будови клітини дріжджів | Генетичні події:1) точкові мутації в хромосомах та мітохондріальних генах; 2) рекомбінація (як між-, так і внутрішньогенна); 3) анеуплоідія в процесі мейозу та мітозу-при цьому виникають візуальні зміни кольору колоній, що легко виявляються |
Позаплано-вий синтез ДНК у клітинах ссавців, що тестуються | Метод полягає у культивуванні клітин ссавців (частіше гепатоцити щурів або первинні фібробласти + мікросомальні ферменти печінки) на предметних шкельцях, обробка їх ДНК пошкоджуючим агентом у середовищі, де є Н3-тимідин і наступним спостереженням за включення радіоактивної мітки в процесі ПСД (позаплановий синтез ДНК при ексцизійній репарації) в клітині | 1) швидке наглядне виявлення уражень геному клітин ссавців; 2) швидкість та зручність проведення тесту | 1) не дозволяє виявити початкові порушення; 2) не дозволяє встановити наслідки репарації | ПСД (позаплановий синтез ДНК при ексцизійній репарації та включенні радіоактивної мітки) - візуалізація зерен, що отримують при певній обробці препарату та проведенні ауторадіографії |
Цитогенетичні порушення та сестринські хроматидні обміни in vitro | Використовується СНО-первинна лінія фібробластів, виділених з яєчників китайського хом‘ячка або лімфоцити периферійної крові людини | 1) швидкість проведення тесту; 2) наочність | 1) велика залежність від кваліфікації персоналу; 2) велика залежність від якості препаратів | Ідентифікація хромосоминх аберацій, підрахування СХО |
Тести на індукцію мутацій у клітинах in vitro | Використовують багато типів клітин (клітини людини, щура, миші, хом‘ячка) та різні селективні системи. | 1) швидкість проведення тесту; 2) можливість проведення тесту безпосередньо на клітинах людини | Складність відтворення в умовах in vitro- як у якісному, так і в кількісному відношенні- метаболічної активації, що відбуається у тканинах in vivo. | Прямі та зворотні мутації |
Використання вищих рослин для виявлення мутагенних хімічних речовин | Частіше застосовується 10 видів вищих рослин у 25 різних тест-системах:1) тести на індукцію пошкоджень мітотичних хромосом (соматичні клітини кінців корінців або пилкових трубок ячменю, кінського бобу, цибулі, традесканції); 2) тести на індукцію аберацій мейотичних хромосом (материнські клітини пилку) 3) тести на індукцію генних мутацій у специфічних або множинних локусах (мутації локуса "восковидності" у Zea mays, мутації недостатності за хлорофілом Hordeum vulgare, соматичні мутації у Tradescantia) | 1) цитогенетичні тести на рослинах характеризуються швидкістю та дешевизною; 2) вони не потребують складного лабораторного обладнання; 3) дозволяють виявити різноманітні генетичні порушення | 1) значна частина протестованих хімічних сполук проявила свою мутагенну дію лише у якійсь одній рослинній тест-системі;2) немає достатніх даних про немутагенні речовини; 3) мало даних про метаболізм ксенобіотиків у рослині; 4) наявність фундаментальних відмінностей у будові клітин рослин та клітин ссавців (наявність міцної целюлозної оболонки у клітинах рослин); 5) відмінність протікання мейозу та гаметогенезу у клітинах рослин та клітинах ссавців | Пошкодження мітотичних хромосом (соматичні клітини кінців коренців або пилкових трубок), аберації мейотичних хромосом (материнські клітини пилку), мутації у специфічних або множинних локуах (мутації локуса "восковидності" у Zea mays, мутації недостатності за хлорофілом Hordeum vulgare, соматичні мутації у Tradescantia |
Тест на зчеплені зі статтю рецесивні летальні мутації у дрозофіли | У Drosophila melanogaster проводиться тест на зчеплені з Х-хромосомою рецесивні леталі, при котрому враховують | 1) критерій, за котрим визначається виникнення мутацій є дуже об‘єктивним: висновки ґрунтуються на тому, чи присутній чи відсутній один з класів самців у поколінні F2; 2) летальні мутації виникають значно частіше, ніж негенетичні порушення інших типів; 3) даний тест є багатолокусним та охоплює велику частину геному Drosophila | 1) проведення тесту потребує багато часу, порівняно з тестами на бактеріях та нижчих еукаріотах; 2) можлива помилкова класифікація речовин у результаті невірно проведених тестів | Підрахування індукованих летальних мутацій |
Цитогенетичні тести in vivo: метафазний аналіз клітин кісткового мозку та мікроядерний тест | Дослідження проводять з використанням кісткового мозку китайського хом’яка, мишей, щурів молодих статевозрілих тварин | 1) умови дослідження in vivo значно ближче до ситуації, що є у людини; 2) немає потреби моделювання метаболічних процесів, що проходять у клітинах ссавців. | 1) мікроскопічинй аналіз хромосомних аберацій у метафазних клітинах до декотрого ступеню суб‘єктивний; 2) методи in vivo не мають такої високої чутливості, як тести in vitro | 1) хромосомні аберації в метафазах мітотичного поділу клітин тканин, що проліферують; 2) мілкі ядра в інтерфазі, що утворилися з ацентричних фрагментів хромосом або цілих хромосом |
Тест на індукцію домінантних летальних мутацій | Запліднені яйцеклітини від самок, що спарюють з молодими статевозрілими мишами-самцями, які обробляються хімічними речовинами, що тестуються | 1) летальні мутації виникають значно частіше, ніж негенетичні порушення інших типів; 2) даний тест є багатолокусним та охоплює велику частину геному Drosophila | 1) проведення тесту потребує багато часу, порівняно з тестами на бактеріях та нижчих еукаріотах; | 1) аналіз постімплатанційної смертності; 2) врахування пост- та доімплатанційних втрат |
У ряді тест-систем, представлених культурами ссавців, реєструються епігеномні зміни, що індукуються канцерогенами та виражаються у порушеннях контактного гальмування поділу, зниження залежності від ростових факторів сироватки, у втраті залежності росту від субстрату.
Найбільш важливим та специфічним для канцерогенів є моніторинг на рівні організму, що оснований на виявленні злоякісних пухлин, що індукуються у представників тваринного світу хімічними агентами. Відібрані у вказаних біотестах хімічні речовини далі підлягають біологічному скринінгу в хронічних експериментах на лабораторних тваринах.
Згідно до інструкції Комітету по канцерогенним речовинам МОЗ СРСР, тестування повинно проводитись як мінімум на двох видах лабораторних тварин (як правило на мишах та щурах) з використанням не менше двох способів введення максимально переносимої дози досліджуваної речовини, причому один з способів повинен бути близьким до природного (наприклад, введення з водою чи їжею). Речовина, що викликає утворення злоякісної пухлини будь-якої локалізації з частотою, що перевищує контрольну, навіть в одному виді тварин та при одному типі введення, визнається канцерогенним. Обов’язковим підсумком експериментів на лабораторних тваринах є ретельний морфологічний аналіз усіх виявлених у них пухлин.
Окрім широко використовуваних раніше гризунів (мишей, щурів) у останній час у якості тест-об’єкту застосовуються акваріумні рибки та декотрі амфібії, що дає можливість здійснити популяційний моніторинг у експерименті та порівняти його результати з даними про поширеність онкологічних захворювань у природних популяціях гідробіонтів. Аналогічні тест-системи складають ґрунтові та морські мікроорганізми (мікробоценоз), якісні та кількісні зміни котрих можуть служити непрямим показником рівня забруднення у відповідних екосистемах.
Враховуючи значну різноманітність канцерогенів, багатоманітність біологічних ефектів як специфічного, так і неспецифічного характеру, окрім тварин та рослин, що виявляють чутливість до дії канцерогену у вигляді специфічних реакцій різного рівня, використовуються живі організми-пастки тих або інших канцерогенів.
Очевидно, що у різних типах біоценозів у якості тест-об’єкту повинні і можуть виступати вищі та нищі рослини, безхребетні, кишковопорожнинні, черви, молюски, риби, гризуни і т. ін. Робота у цьому напрямку лише почалася і потребує особливої уваги до біології вибраного тест-об’єкту, аналізу його місця та ролі у відповідній екосистемі.
Проблема біотестування бластомогенних агентів ускладнюється тим, що багато потенційно небезпечних у канцерогенному відношенні речовин знаходиться у біосфері у низьких концентраціях, але у багатьох випадках дія їх може бути синергічною, частина з них може виступати у якості промоторів, коканцерогенів та ін.
05.07.2011
