Характеристика канцерогенного действия химических соединений - общая онкология
Полициклические ароматические углеводороды, гетероциклические соединения
10. Активные участки молекулы ПАУ.
К этой группе относятся химические вещества с тремя и более конденсированными бензольными кольцами, например 7,12-диметилбенз(а)антрацен и БП, а также соединения, имеющие гетероциклические атомы азота, например 9-метил-3,4-бензакридин и 4-нитрохинолин-М-оксиджи мошонки трубочистов, впервые описанного в 1775 г. английским врачом П. Поттом. Позже эти наблюдения легли в основу концепции Р. Вирхова о роли хронического раздражения в возникновении опухолей. Основываясь на этих представлениях, в 1915 г. впервые в мире Ямагива и Ишикава индуцировали у кроликов опухоли кожи путем длительного смазывания ушных раковин каменноугольной смолой. Этими и последующими исследованиями был заложен фундамент экспериментальной онкологии, давшей мощный толчок проведению многочисленных работ по изучению и выявлению конкретных химических соединений — индукторов опухоли.
Благодаря исследованиям Киннуэя, Кука и Хайджера в 1930—1932 гг. были идентифицированы химические вещества, ответственные за развитие опухолей. Ими оказались некоторые флюоресцирующие в УФЛ ПАУ, выделенные из высококипящих фракций каменноугольной смолы. Наиболее активным был БП. Канцерогенными свойствами обладал также 1,2,5,6-дибензантрацен и особенно 7,12-диметил-бенз(а)антрацен и 20-метилхолантрен. Выделение химически чистых индукторов опухолей стало поворотным моментом в развитии онкологии и определило на многие десятилетия дальнейшее плодотворное развитие теоретических и практических исследований. Было установлено чрезвычайно широкое распространение в природе канцерогенного БП. В подавляющем большинстве случаев он имеет антропогенное происхождение. БП обнаруживается как продукт неполного сгорания в табачном дыме, в отработавших газах автотранспорта, в дыме доменных и иных печей, в продуктах копчения и т. д.
В опытах на животных было показано, что как БП, так и целый ряд других ПАУ вызывают развитие опухолей, как правило, на месте их аппликации. Так, при подкожном введении у крыс и мышей возникали саркомы подкожной клетчатки, а при смазывании кожи у мышей и кроликов развивались карциномы.
Установлены канцерогенные свойства ряда гетероциклических азотсодержащих бензакридинов, трициклохиназолина, 4-нитрохинолин-Н-оксида. Эти соединения также, как правило, индуцируют опухоли на месте их введения.
Из изученных нескольких сотен ПАУ лишь небольшое число оказались канцерогенными. Эти экспериментальные данные были положены в основу теоретических расчетов электронной структуры ПАУ, обладающих и не обладающих канцерогенными потенциалами [Pullman A., Pullman В., 1955].
Исходя из активности связи тетраокиси осмия с молекулой фенантрена в 9—10-й позиции, было высказано предположение, что аналогичная связь может иметь место и в соматических клетках при контактах их с канцерогеном. В дальнейшем было установлено, что для позиции 9—10 характерна наибольшая электронная плотность. Этот участок молекулы был назван «К-районом» (рис. 10). Однако активность молекулы определяет также состояние «L-района», т. е. района с активными атомами в мезоположении- для бенз(а)антрацена это атомы углерода в 7-м и 12-м положениях. Наиболее выражена канцерогенность для соединений, в которых «К-район» сочетается с неактивным «L-районом». На основании выдвинутой теории электронной структуры удалось успешно предсказать канцерогенную активность ряда бензакридиновых соединений, дибенз(1,2,7,8)пирена и др.
Следует, однако, указать, что электронная теория не может претендовать на универсальность, так как в ряде случаев ПАУ оказывались канцерогенными даже при отсутствии или при блокаде «К-района» (ряд производных флуорантрена). Введение алкильных заместителей увеличивало канцерогенную активность, удлинение алкильной цепочки снижало ее. Не подтвердились также теоретические расчеты, согласно которым введение гетероциклических атомов должно понижать канцерогенную активность. Так, например, гетероциклический трициклохиназолин в действительности оказался активным канцерогеном.
В дальнейшем были предприняты попытки связать канцерогенность ПАУ с так называемой областью «залива» фенантренового фрагмента структуры [Jerina D., Lehr R., 1977].
Показано, что диолэпоксиды области «залива» обладают большей канцерогенной активностью, чем диолэпоксиды с функциональными группами в других положениях молекулы [Кобляков В. А., Ягужанский Л. С., 1983- Digovani Y., Juchau М., 1980].
Известны, однако, соединения, не имеющие в структуре области «залива», но обладающие выраженной канцерогенной активностью (например, 9,10-диметилантрацен, метилкоранен и др.).
Большинство ароматических азосоединений относятся к азокрасителям. Для них характерно наличие двух или более азогрупп. В зависимости от этого они могут подразделяться на моно-, ди-, три- и более азопроизводные. Азокрасители применяют для окраски натуральных и синтетических тканей, для цветной печати в полиграфии, в косметике, цветной фотографии и т. д. К ним относятся моноазобензол, N, N`- диметил-4-аминоазобензол. 
Впервые канцерогенные свойства азосоединений были выявлены в 1935 г. Сазаки и Иошида. При скармливании крысам азокрасителя ортоаминоазотолуола они обнаружили у животных развитие опухолей печени. Вслед за этим в 1937 г. Киносита индуцировал у крыс опухоли печени с помощью красителя масляного желтого (диметил-4-аминоазобензола), добавляемого к маргарину и сливочному маслу для придания им цвета летнего свежего продукта.
В настоящее время применение этого красителя в качестве добавки к пищевым продуктам запрещено во всех странах. Канцерогенное действие азосоединений проявляется как при введении их животным в пищеварительный тракт, так и при подкожном введении и даже при смазывании кожи. Опухоли при этом возникают не на месте введения канцерогенов, а в органах, отдаленных от места аппликации (печень, мочевой пузырь). Установлена различная степень канцерогенной активности веществ в зависимости от их химической структуры. Водорастворимые и серосодержащие азосоединения, как правило, не канцерогенны.
Ароматические аминосоединения
К этой группе соединений относятся вещества, имеющие структуру либо дифенила (или стильбена), либо нафталина (4,4`-диаминодифенил, 4,4`-диаминостильбен, 2-нафтиламин).
Представляет также большой интерес флуорен, который может быть рассмотрен как производное дифенила.
Ароматические аминосоединения находят широкое применение в различных областях промышленности.
11. Присоединение амино- и нитрогрупп к ароматической системе.
Прежде всего они используются в качестве полупродуктов при синтезе органических соединений и красителей и особенно бензидиновых красителей. Они могут применяться также для синтеза лекарственных препаратов, инсектицидов и т. д.
Впервые канцерогенные свойства ароматических аминосоединений были выявлены в 1938 г. Хюпером, которому удалось индуцировать опухоли мочевого пузыря у собак, скармливая им 2-нафтиламин. В дальнейшем эти данные подтверждены работами многих исследователей как за рубежом, так и в СССР. Благодаря этим экспериментам и эпидемиологическим исследованиям было установлено, что причиной развития профессиональных опухолей мочевого пузыря у рабочих анилинокрасочной промышленности является 2-нафтиламин, а не анилин, которому приписывали ответственность за развитие так называемого «анилинового рака». Последующими работами было продемонстрировано также канцерогенное действие бензидина и 4-аминодифенила. Канцерогенным также оказался технический 1-нафтиламин, содержащий в качестве примеси до 5% 2-нафтиламина. При экспериментальном изучении этих соединений оказалось, что все они вызывают опухоли мочевого пузыря, преимущественно у собак и лишь в некоторых случаях — у хомячков. У мелких лабораторных животных они вызывали опухоли иных локализаций. Так, 2-нафтиламин у крыс при подкожном введении индуцирует саркомы, а у мышей — гепатомы- у хомячков отмечено развитие папиллом мочевого пузыря. Бензидин оказался высокотоксичным соединением, вызывающим у крыс подкожные саркомы, опухоли печени, молочных и сальных желез, кишечника, а у мышей — опухоли печени и саркомы подкожной клетчатки. Изученные производные бензидина, такие как 3-3`-дихлорбензидин, диацетилбензидин, орто-толидин, орто-дианизидин, бензидиндикарбоновая кислота, бензидиндиоксиуксусная кислота, также оказались канцерогенными. Наиболее активными были орто-толидин, диацетилбензидин и 3,3`-дихлорбензидин, которые вызывали у крыс опухоли печени, сальных и молочных желез. Кроме того, у крыс под влиянием 3,3`-дихлорбензидина развивались папилломы мочевого пузыря [Плисс Г. Б., 1959, 1965]. 4-Аминодифенил и его производные вызывали у крыс, кроликов и мышей опухоли печени, молочных желез, мочевого пузыря и кишечника. Канцерогенными также оказались аминостильбен и его метильные производные. Все они вызывали у крыс опухоли печени, а также цымбаловых желез. Важными в практическом и теоретическом отношении были работы по изучению канцерогенных свойств 2-флуоренилацетамида (2-ААФ) и его производных. Это соединение было запатентовано в 1940 г. в качестве основного ингредиента инсектицида, оно было рекомендовано для использования при консервации пищевых продуктов. Однако уже в 1947 г. было установлено, что при скармливании крысам оно индуцирует различные опухоли: гепатомы, карциномы молочных и сальных желез, мочевого пузыря, аденокарциномы кишечника, матки и других органов. Изучение биологического действия этого соединения и его производных, а также особенностей метаболизма позволило подойти к решению важных проблем механизма действия ароматических аминов (см. ниже). Учитывая широкое использование ароматических аминосоединений как в промышленности, так и в быту, представляется чрезвычайно важной своевременная оценка возможного их канцерогенного действия. Одним из возможных путей такой оценки является выявление закономерностей онкогенного действия ароматических аминосоединений, исходя из их химической структуры.
На основании собственных материалов и анализа многочисленных данных литературы мы пришли к выводу о существовании для вышерассмотренных ароматических аминосоединений некой структуры, дающей в общей форме представление о возможной канцерогенности веществ.
Для канцерогенных соединений (рис. 11) характерно наличие одной или двух амино-, а возможно, и нитрогрупп (R), располагающихся в пара-положениях и присоединенных к ароматическим системам независимо от характера связи (X) между бензольными кольцами при условии достаточно прочного соединения [Плисс Г. Б., 1965].
Представленная формула может быть использована для предварительной ориентировочной оценки соединений и отбора их для изучения канцерогенных свойств в опытах на лабораторных животных.
Нитрозосоединения и нитрамины
Большая группа нитрозосоединений (НС) подразделяется на нитрозамины и нитрозамиды. Они имеют следующую общую структуру:
где R` — алкильный радикал, a R" — в случае нитрозаминов представлен алкильной или арильной группировкой. Он может иметь также алифатические кольца, такие как морфолиновое, пиперидиновое и т. д. Для нитрозамидов R" — эфирная группа ( — СО • О • С2Н5) или амидная группа ( — СО • NH2). Нитрозамины могут быть симметричными (нитрозодиметиламин — НДМА), несимметричными (н-бутилэтилнитрозамин), гетероциклическими (N-нитрозоморфолин). Из нитрозамидов наиболее изучены N-метилнитрозоуретан, метилнитрозомочевина и М-метил-нитро-М-нитрозогуанидин.
Для нитраминов характерно наличие вместо нитрозогруппы электронно-активной нитрогруппы (NO2). Нитрозамины, равно как и нитрамины, в условиях организма химически стабильны- их биологический эффект объясняется действием реактивных метаболитов, образующихся под влиянием оксидаз. В противоположность им нитрозамиды не стабильны и разрушаются спонтанно без воздействия ферментов на реактивные алкилирующие производные.
Нитрозамины используются в качестве полупродуктов при синтезе красителей, лекарств, полимерных материалов, в качестве антиоксидантов, пестицидов и т. д. Сфера применения нитраминов разнообразна. Они используются в качестве растворителей типографских красок, антикоррозийных средств, полупродуктов для синтеза гербицидов и т. д. Канцерогенные свойства нитрозаминов впервые были обнаружены в 1956 г. Magee и Barnes. В хронических опытах на крысах они показали, что НДМА вызывает у животных опухоли печени. К настоящему времени изучено на канцерогенность более 300 НС, 90% из которых индуцировали у животных опухоли [Preussman R.,]. Для многих НС характерна высокая канцерогенная активность. Некоторые из них, такие как НДЭА или НДМА, вызывали опухоли у 40 различных видов животных от моллюсков до обезьян [Boorman G., Eustis S.]. Как правило, НС вызывают опухоли вдали от места их введения в организм, однако некоторые из них, преимущественно нитрозамиды, обладают свойством индуцировать новообразования в тех тканях и органах, в которые они вводятся (например, нитрозометилмочевина, N-Memii-N-нитpo-N-нитрозогуанидин).
Канцерогенные НС вызывают опухоли различной локализации и морфологии. Локализация опухолей может меняться в зависимости от путей введения и дозы (низкие дозы НДМА вызывают опухоли печени, а высокие — почек- при подкожном введении НДБА у крыс возникают лишь опухоли мочевого пузыря, а при скармливании — также пищевода и печени). Многие НС обладают селективным канцерогенным действием. Так, НДЭА и нитрозоморфолин вызывают преимущественно опухоли печени- бутил- бутанолнитрозамин — опухоли мочевого пузыря, N-метил-М-нитрозоанилин — пищевода, N-нитрозотриметилмочевина — опухоли нервной системы, диамилнитрозамин, N-нитрозогептаметиленимин — опухоли легких- 1,2-диметилгидразин, 1Ч-нитрозо-]Ч-этилуретан, метилазоксиметанол — опухоли кишки и т. д. Под влиянием диазоуксусного эфира при внутривенном введении и надкожной аппликации у животных возникают опухоли кожи. Следует, однако, отметить, что одни и те же НС могут вызывать у различных животных разные опухоли. Например, нитрозоморфолин у мышей индуцирует опухоли легких, а у крыс — печени, диэтилнитрозамин у хомячков вызывает преимущественно плоскоклеточный бронхогенный рак, а у крыс — опухоли печени и аденокарциномы легких.
Показано, что многие НС обладают также трансплацентарным и мутагенным действием.
Нитрамины индуцируют у животных опухоли в тех же самых органах, что и соответствующие им нитрозамины. Например, диметилнитрамин вызывает у крыс и мышей опухоли печени и почек, а диэтилнитрамин — гепатомы. Установлено, что диметил- и диэтилнитрамины вызывают опухоли у аквариумных рыб, а также опухоли у травяных и когтистых лягушек [Плисс Г. Б. и др., 1980].
Морфологическое строение опухолей, вызываемых НС, разнообразно, что дает в руки экспериментаторов широкие возможности для изучения морфо- и гистогенеза опухолей различного строения и локализации, а также моделирования опухолевого процесса с целью воздействия на него противоопухолевыми агентами.
Кроме производственного контакта с нитрозаминами, человек может подвергаться их действию через продукты питания, воду и т. д. Еще в 1963 г. Г. Друкреем и соавт. было высказано предположение о возможном синтезе канцерогенных НС из предшественников — нитритов и аминов. Ender и соавт. в 1964 г. обратили внимание на вспышки токсических гепатитов у домашних животных. Оказалось, что причиной их явилась мука из сельди, в которой в качестве консерванта имелся нитрит натрия. Анализ муки показал содержание в ней до 100 мг/кг НДМА.
В 1969 г. J. Sander и G. Burkle впервые экспериментально на животных доказали возможность канцерогенного действия вторичных аминов при введении их в желудок вместе с нитритом натрия. В настоящее время установлена возможность эндогенного синтеза некоторых НС из предшественников — вторичных и третичных аминов, алкил- и ариламидов и нитрозирующих агентов — нитритов, нитратов, окислов азота. В опытах на животных показан канцерогенный эффект комбинации нитрита натрия с N-метилбензиламином, метил-и этилмочевиной, 1,3-диметилмочевиной, 2-имидазолидоном, N-метиланилином, морфолином, пиперазином, амидопирином и некоторыми пестицидами [Mirvisch S., 1975]. Установлена также возможность эндогенного синтеза НС в желудочно-кишечном тракте человека за счет поступления с пищей вторичных и третичных аминов и нитритов (нитратов). В организм человека НС могут попадать в «готовом» виде с некоторыми продуктами питания и табачным дымом. В связи с широким применением нитритов в качестве консервантов одной из задач является уменьшение их содержания в пищевых продуктах, в которых под влиянием нитрита натрия может происходить спонтанное нитрозирование вторичных аминов и образование НС.
Хотя канцерогенность НС для человека еще не доказана, однако результаты опытов на животных должны быть основой для онкологической настороженности и проведения профилактических мероприятий.
Металлы, металлоиды, асбест
В экспериментах на животных удалось показать, что ряд металлов и металлоидов обладают канцерогенной активностью. К ним относят никель, хром, мышьяк, кадмий, бериллий, кобальт, свинец, титан, цинк, железо. В настоящее время имеются эпидемиологические данные, свидетельствующие о бесспорной канцерогенной опасности для человека ряда технологических процессов и работ, связанных с очисткой и обогащением никеля, добычей гематита (диоксида железа), контактом с хромом (VI) и его солями, мышьяком. Менее убедительны данные в отношении канцерогенности для человека кадмия и бериллия [IARC, 1976- Sundermann F., 1978].
Многие из указанных соединений в экспериментах на животных, как это видно из табл. 3, вызывают опухоли на месте их введения (саркомы различного строения).
ТАБЛИЦА 3. Локализации опухолей, индуцируемых металлами и металлоидами у экспериментальных животных
Элемент | Пути введения | Локализация |
Мышьяк | Внутритрахеально | Легкие |
Хром (VI) | Инъекция, ингаляция | Место инъекции, легкие |
Никель | » » | » » » |
Кадмий | Инъекция | » » » |
Бериллий | Инъекции, ингаляция | Кости, легкие |
Кобальт | Инъекции | Место инъекции |
Свинец | Инъекции в орган | Почки, яичники |
Титан | Инъекции | Место инъекции |
Цинк | » | » » |
Железо-декстран | » | » » |
Многочисленными экспериментами на животных не удалось вызвать опухоли введением гематита. Не отмечено также развитие опухолей у рабочих, занятых его переработкой. Полагают, что причиной рака легкого у рабочих, занятых подземной добычей гематита, может быть радон, содержащийся в железной руде.
Хотя канцерогенное действие мышьяка на человека было доказано многочисленными эпидемиологическими наблюдениями, долгое время не удавалось подтвердить эти данные в опытах на животных. Лишь в 1979 г. экспериментально было доказано, что интратрахеальное введение кальция арсената с меди сульфатом и кальция гидроксидом приводит к развитию опухолей легкого у крыс [Ivankovic S. et al., 1979], а введение в желудок — аденокарциномы желудка [Кацнельсон Б. А. и др., 1986].
Значительное место в возникновении профессионального рака человека занимает асбест. Асбест относится к природным силикатным материалам волокнистой структуры с характерным рядом ценных свойств (устойчивость к высоким температурам, к химическим агентам, способность подвергаться обработке на ткацких станках и т. д.). В зависимости от физико-химических свойств, состава и морфологии он подразделяется на хризотил (белый асбест) и амфибол. Последний, в свою очередь, делится на крокидолит (голубой), тремолит, антофиллит, амозит, магнезиаарфведсонит, актинолит и другие редко встречающиеся разновидности. Установлено, что при длительном контакте у рабочих, занятых добычей и переработкой асбеста, возникают опухоли легких и мезотелиомы плевры.
Описаны также учащение возникновения опухолей желудочно-кишечного тракта и развитие мезотелиом брюшины [Selikoff J., Lee D., 1978]. Эти данные нашли экспериментальное подтверждение: внутритрахеальное, внутриплевральное и внутрибрюшинное введение хризотила, амозита, антофиллита и крокидолита мышам, крысам, хомячкам и кроликам приводило к развитию у них опухолей легких и мезотелиом. Показано, что бластомогенная активность асбеста зависит от размеров волокон: наиболее активны волокна с длиной не меньше 7—10 мкм и толщиной не более 2 — 3 мкм.
Природные канцерогены
Наряду с канцерогенами антропогенного генеза известно более 20 канцерогенов природного происхождения — продуктов жизнедеятельности высших растений (например, циказин, из пальмы Cycas circinalis, пирролизидиновые алкалоиды Crotolaria, Heliotropium, крестовника Senecio, алкалоиды папоротника Pteridium aquilinum, танин и таниновая кислота из наростов на деревьях), а также низших организмов — плесневых грибов (микотоксинов). К последним относят токсины, продуцируемые Aspergillus flavus (афлатоксин B1, В2 и G1, G2), Aspergillus nodulans, Aspergillus versicolor (стеригматоцистин), Penicillium islandicum (лютеоскирин, циклохлоротин), Penicillium griseofulvum (гризеофульвин), Streptomyces hepaticus (элайомицин), Fusarium sporotrichum (фузариотоксин) (табл. 4). Канцерогенными оказались также этионин, являющийся продуктом некоторых видов бактерий [Миллер Е., 1978], и сафрол (4-аллил-1,2-метилендиоксибензол). Оба эти вещества вызывают у крыс опухоли печени. Сафрол содержится в сассафрасовом масле, получаемом из корицы или мускатного ореха, и используется за рубежом в качестве ароматической добавки к пищевым продуктам. Имеются многочисленные экспериментальные данные, подтверждающие в опытах на животных канцерогенные свойства указанных выше алкалоидов и микотоксинов. Так, например, циказин вызывает опухоли печени у 6 видов лабораторных животных. Было установлено, что действующим началом циказина (метилазоксиметанол - (в - D - глюкозид) является aглюкон метилазоксиметанол, который образуется в кишечнике в результате расщепления его кишечной в-глюкуронидазой. Метилазоксиметанол рассматривается как активный электрофильный метаболит, метилирующий макромолекулы клетки и вызывающий у крыс и хомячков опухоли кишечника. Установлено, что метилазоксиметанол обладает трансплацентарным действием и, будучи введен беременным крысам, вызывает у потомства злокачественные опухоли.
В группе растений семейства сложноцветных, к которым, в частности, относится Senecio, обнаружены близкие по строению алкалоиды, содержащие пирролизидиновое ядро. Многие из них вызывают у крыс опухоли печени. Установлено, что основным токсическим метаболитом и конечным канцерогеном является пирроловый эфир.
Экспериментальными исследованиями J. Evans и J. Mason (1965) было показано, что скармливание крысам порошка высушенного папоротника-орляка (Pteridium aquilinum) приводит к развитию опухолей тонкой кишки, а затем было установлено, что у животных развиваются опухол
