Молекулярно-биологические механизмы действия химических канцерогенов - общая онкология
Видео: «Разберём на атомы»: уравнение Эйнштейна, молекулярная онкология и дорогой ЗОЖ
Согласно современным представлениям, процесс химического канцерогенеза (если считать изменения в организме от начала контакта с канцерогеном до клинического обнаружения опухоли) состоит из нескольких стадий. Первой стадией являются циркуляция канцерогена в организме и цепь его метаболических превращений. За последнее время доказано, что практически все канцерогены, прежде чем вызвать малигнизацию клеток, подвергаются в организме различным изменениям.
12. Некоторые возможные пути метаболической активации канцерогенов.
Поэтому сформировалось понятие о поступающих в организм канцерогенах как «проканцерогенах», промежуточные метаболиты стали называть «проксимальными канцерогенами», а конечные канцерогенные метаболиты — «конечными канцерогенами». Иногда биотрансформация канцерогенов не требует участия ферментных систем (например, для некоторых алкилирующих соединений), но в большинстве случаев эти превращения происходят под действием ферментов, в первую очередь неспефицических многоцелевых оксидаз. Основные метаболизирующие системы сосредоточены в микросомах клеток, наиболее сильные — в микросомах печени, которые чаще всего используют для изучения метаболизма канцерогенов в опытах in vitro [Рубенчик Б. Л., 1977]. Известно, что ключевым ферментом микросом является цитохром Р-450. Однако недавно показано, что биотрансформация канцерогенов происходит и в ядерной оболочке. Для каждой группы канцерогенов обнаружены свои пути метаболизма. Это, как правило, две параллельно идущие цепи превращения : путь обезвреживания канцерогена и путь его метаболической активации с образованием канцерогенных метаболитов, вызывающих малигнизацию. Установлено, что в ходе метаболических превращений все канцерогены приобретают некоторые общие свойства- они становятся электрофильными соединениями, способными реагировать с нуклеофильными мишенями клеток, т. е. с биополимерами [Miller J., Miller Е., 1979] (рис. 12). Раньше считалось, например, что ПАУ не нуждаются в метаболической активации, но теперь эти представления опровергнуты. Для этих соединений, видимо, основным путем активации является образование диоловых эпоксидов.
Часть исследователей, однако, считают, что активация ПАУ происходит по свободнорадикальному механизму. Показано, что свободнорадикальные метаболиты также канцерогенны [Cavalieri Е. et al., 1977]. Путем обезвреживания ПАУ является, очевидно, образование фенолов, большинство которых не канцерогенно.
Из группы ароматических аминов наиболее изучен метаболизм 2-ацетиламинофлуорена (ААФ). Первым и наиболее важным звеном его активации является N-гидроксилирование. У животных, в организме которых не происходит этот процесс, например у морских свинок, ААФ опухолей не вызывает. Не вызывает он опухолей и при местном введении в органы, в которых не образуется N-гидроксиметаболит, например в молочную железу. Введение же N-гидрокси-ААФ в этих случаях приводит к бластомогенному эффекту.
Дальнейшим путем активации вслед за N-гидроксилированием является эстерификация ААФ с образованием сернокислых эфиров [Miller J., 1970]. Путем обезвреживания ААФ является С-гидроксилирование.
Предполагается, что N-гидроксилирование является путем активации и других ароматических аминов (производных нафталина и аминодифенила), а также аминоазосоединений. Эстерифицированные производные этих соединений значительно активнее связываются с белками и нуклеиновыми кислотами [Miller J., Miller Е., 1969].
Ряд ароматических аминов, как известно, вызывает опухоли мочевого пузыря. Предполагается, что индукция этих опухолей связана с тем, что канцерогенные метаболиты ароматических аминов в печени образуют неактивные конъюгаты с глюкуроновой кислотой, которые при выведении с мочой в мочевом пузыре разлагаются под действием Р-глюкуронидазы с освобождением активных метаболитов, воздействующих на эпителий.
Исследования НС показали, что у многих веществ этой группы главный путь метаболизма — гидроксилирование по а-С-углеродному атому с последующим деалкилированием и образованием диазоалканов или других алкилдиазониев. Последние высокореактивны и распадаются до газообразного азога и соответствующего алкилирующего катиона, являющегося, по всей видимости, «конечным» канцерогеном [Druckrey Н. et al., 1967]. Возможно также гидроксилирование в других положениях, например по Р- С-атому (так называемое в-окисление) или концевому атому (окисление). Ряд в-окисленных метаболитов оказались сильными канцерогенами [Okada Н., Hashimoto Y., 1974]. Часть НС (нитрозамиды) активируются без участия ферментных систем, вызывая опухоли на месте аппликации (метилнитрозомочевина).
В индукции опухолей некоторыми НС также принимает участие Р-глюкуронидаза.
За последние годы изучен метаболизм и ряда других канцерогенов (афлатоксина Bi, сафрола, винилхлорида и т. д.) и показано, что основным путем активации является ферментативное окисление. Так, канцерогенным метаболитом винилхлорида оказался хлорэтиленоксид.
Следует отметить, что для каждого канцерогена может быть, видимо, не один, а несколько путей метаболической активации, что подтверждается отмеченными выше данными по канцерогенности как диоловых эпоксидов, так и свободнорадикальных метаболитов ПАУ. При этом канцерогенностью может обладать не только конечный канцерогенный метаболит, но и ряд промежуточных. Так, показана канцерогенность N-гидрокси-ААФ в молочной железе крыс, где образование его сернокислых эфиров не происходит [Malejka-Giganti D. et al., 1977].Обезвреживанию при этом может подвергаться не только исходный канцероген, но и любой из промежуточных метаболитов.
Знание метаболизма дает возможность предварительно оценить соединения, включающие в себя радикалы канцерогенов. Так, при производственном контакте человека с прямыми красителями, синтезированными на основе бензидина и дианизидина, в моче рабочих были обнаружены исходные канцерогены. Это свидетельствовало о расщеплении прямых красителей в организме и о их возможной канцерогенной опасности. Аналогичным образом проводилась оценка канцерогенной опасности антиоксиданта N-фенил-2-нафтиламина (неозона D). Оказалось, что в организме его N-дефенилирование с освобождением 2-нафтиламина происходит лишь в очень малой степени и поэтому антиоксидант скорее всего не обладает бластомогенными свойствами. Это совпадает с результатами опытов на животных, показавшими отсутствие канцерогенности данного препарата.
Вторым важным направлением является активное воздействие на метаболизм канцерогенов для предотвращения образования активного метаболита и (или) ускорения обезвреживания канцерогенов. Это новое направление получило название «антиканцерогенеза». Антиканцерогенный эффект обнаружен в экспериментах на различных моделях химического канцерогенеза при применении активаторов и ингибиторов микросомальных ферментов и антиоксидантов, в особенности селена. Важное место среди этих веществ могут занять и ингибиторы в-глюкуронидазы, предотвращающие распад глюкуронидов метаболитов и освобождение канцерогенных соединений. Первые работы в этом направлении обнадеживают [Boyland Е. et al., 1965]. Важным направлением работ по антиканцерогенезу являются исследования по применению веществ, задерживающих эндогенный синтез. Ряд таких веществ, в частности витамин С, успешно испытан на животных.
Второй стадией канцерогенеза, следующей за метаболизмом канцерогенов, является связывание метаболитов с биологическим субстратом клеток-мишеней. Канцероген, попадая в клетку, связывается со всеми ее компонентами, начиная с клеточной мембраны и кончая органеллами цитоплазмы и ядром. Поэтому крайне важно выявить специфику в подобном взаимодействии, найти тот ключевой субстрат, связывание которого с канцерогеном и явится причиной малигнизации.
После открытия роли нуклеиновых кислот в передаче наследственных свойств наибольшее внимание стали уделять связыванию канцерогенов с этими компонентами клетки, в особенности с ДНК. Обнаружена высокая степень корреляции между канцерогенностью различных соединений и способностью к связыванию с ДНК [Ниberman Е., Sachs L., 1977]. Исследования на молекулярном уровне показали, что канцерогены реагируют с основаниями нуклеиновых кислот, и прежде всего с гуанином. Метилирование гуанина приводит к нарушению комплементарности пуриновых оснований в молекуле ДНК: вместо нормального сочетания оснований гуанин — цитозин образуется параметилированный гуанин — тимин. Поскольку тимин обычно сочетается с аденином, то изменения во второй нити молекулы ДНК приводят к образованию комплементарного к тимину аденина первой нити ДНК и в результате этих нарушений пара оснований гуанин — цитозин замещается на аденин — тимин. Такие грубые повреждения молекулы ДНК, касающиеся уже обеих ее нитей и поэтому исключающие репарацию, приводят к мутациям, т. е. нарушению генетического кода и уходу клетки из- под контроля гомеостатических систем организма, что завершается ее малигнизацией.
Наряду с ДНК некоторые канцерогены могут также алкилировать транспортные РНК, что может привести к искажению трансляции мРНК и нарушению синтеза белков с последующей малигнизацией клеток. Характерным для чувствительных к канцерогенезу тканей явилось замедление восстановления вызванных канцерогеном повреждений ДНК, приводившее к длительной персистенции алкилированных оснований, что могло вести к нарушению кодирования. Наиболее доказана такая персистенция для О6-метилгуанина [Лихачев А. Я., 1987]. Правда, полной корреляции между этой персистенцией и канцерогенным эффектом различных бластомогенных агентов установить не удалось. Это свидетельствует о том, что за малигнизацию могут быть ответственны и другие, еще не известные нам факторы.
Генетический фонд клетки, несмотря на его хрупкость, защищен мощным ферментным аппаратом, обеспечивающим репарацию (восстановление) ДНК. С помощью эндо- и экзонуклеаз, щелочных фосфатаз и ДНК-полимераз клеткам удается «вырезать» измененные нуклеотиды и за счет соответствующих комплементарных участков второй нити ДНК (если она не повреждена) воссоздать исходную генетически запрограммированную нуклеотидную последовательность поврежденной нити.
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что практически все известные канцерогены индуцируют в клетках репаративный синтез ДНК [Виленчик М. М., 1977]. Интенсивность репараций коррелирует с канцерогенным потенциалом химического соединения. Значение для канцерогенеза повреждения генетического аппарата клетки и нарушений репаративного синтеза ДНК является достаточно солидным основанием для признания мутационной концепции рака. Дополнительной аргументацией могут также служить данные о том, что почти все канцерогены обладают мутагенной активностью и что она характерна для всех без исключения электрофильных канцерогенных метаболитов. Следует, однако, отметить, что в ряду канцерогенов, не обладающих мутагенными свойствами, оказались такие важные соединения, как гормоны, некоторые металлы, минералы (асбест), пластмассы и т. д. Очевидно, для этих соединений ведущим в канцерогенном эффекте является не индукция мутаций, а отбор уже существующих мутированный клонов, нарушение систем регуляции гомеостаза, создание условий для депонирования эндогенных бластомогенов и т. п. Возможно, результатом взаимодействия канцерогенов с клеткой являются не мутации, а эпигенетические изменения [Оленов Ю. М., 1967], которые также могут вести к наследованию измененных свойств [Chu Е. et al., 1977]. В эпигеномном механизме большое значение придается взаимодействию канцерогенов с РНК, белками и мембранами клеток [Шапот В. С., 1975].
