Химический канцерогенез: количественные аспекты - рак: эксперименты и гипотезы

Более внимательный взгляд на химический канцерогенез: количественные аспекты
«Я утверждаю, что в каждой естественной науке ровно столько от науки вообще, сколько в ней математики»,— говорил Кант задолго до лорда Кельвина. Химия того времени не подошла под строгую мерку ученого: «...химия никогда не станет настоящей наукой: в самом лучшем случае она будет искусством систематизирования или постановки экспериментов». Однако химия уже давно переросла мерку Канта, а в ее теоретический фундамент заложены основы термодинамики и атомной физики.
Даже современные биология и научная медицина все чаще рассматриваются как точные науки. Восхищение феноменом живого до сих пор остается важным стимулом биологических исследований, но с vis vitalis и vis regenerated ученые уже распрощались — с сожалением и облегчением одновременно. Победителем стала простая молекула ДНК, а в описании таких биологических явлений, как наследственность и адаптация, решающее слово принадлежит кибернетике. Следует признать, что исследования рака в значительной мере остаются «искусством систематизирования», и мы еще не преуспели в построении в целом приемлемой и повсеместно принятой теории. Однако нельзя сказать, чтобы онкология полностью пренебрегала математикой. Количественные исследования химических канцерогенов дали первый толчок к появлению «математической теории» развития опухоли.
В течение длительного времени ученые ограничивались делением веществ на слабые и сильные канцерогены. Еще в 1948 г. Бэджер пользовался простой полуколичественной системой классификации химических канцерогенов:

Но даже он вынужден был признать, что из-за трудностей биологических исследований точность определения может колебаться в пределах одного «плюса». Из этого следовало, что при повторении теста на канцерогенность вещество можно классифицировать и как слабый, и как неактивный канцероген. Твердо сказать, является ли данное вещество канцерогеном, чрезвычайно трудно- вновь и вновь необходимы исследования на большем числе животных и с более высокой дозой предполагаемого канцерогена. О том, насколько осторожно следует выносить «окончательное суждение», свидетельствует недавняя дискуссия о новых противозачаточных препаратах (эстроген) и искусственных подсластителях (цикламат). Проблема пограничной активности до сих пор не решена.
Зато разрешима, по крайней мере принципиально, проблема замены прежних качественных показателей активности количественными. Многие авторы разработали свою собственную систему (например, Беренблюм и Миллеры), но самым известным примером служит так называемый индекс Айболла, предложенный американским ученым Айболлом в 1939 г.

Индекс Айболла

Рассмотрим два варианта исследования канцерогенов на примере экспериментального рака кожи: мышей одного возраста, пола и штамма разделяют на группы, по 30 мышей в каждой. 0,3%-ный раствор испытуемого вещества наносят на выбритую спинку мыши (растворителем может быть бензол, ранее использовавшийся чаще всего, хотя теперь известно, что ацетон меньше влияет на кожу). Нанесение вещества повторяют дважды в неделю, пока не появятся первые видимые глазом папилломы и их можно будет сосчитать. В табл. 2 описан такой опыт с двумя различными органическими веществами.
Таблица 2
Параметры канцерогенной активности

Легко заметить, что рассматриваемые вещества ведут себя по-разному: ДМБА вызывает опухоли в среднем уже на 43-й день и поражает 65% мышей, в то время как дибензакридин индуцирует опухоли лишь у 24% мышей, причем на это требуется почти годичный период.
«Сильный» канцероген отличается двумя признаками: он способен вызвать опухоли у большего числа животных и за более короткий промежуток времени.
Это означает, что количество возникших опухолей, так же как и латентный период, может служить мерилом канцерогенной активности. На этом основании Айболл предложил следующее уравнение в качестве индекса канцерогенности:

где множитель 100 добавлен просто для перехода к целым числам. Количественные данные, полученные с помощью этого уравнения, представлены в последней колонке табл. 2.
Очевидно, что приведенные цифры применимы лишь к данной системе: рассчитанные индексы верны только для мышей данного штамма, причем соединения должны наноситься на кожу. Если цель эксперимента — сравнение способности этих двух соединений вызывать саркомы у крыс после подкожного введения, то, вероятно, следует ожидать иной канцерогенной активности и соответственно иных индексов. Так, ДМБА — очень сильный канцероген при нанесении на кожу мышей, но при индуцировании саркомы у крыс он дает средние показатели. Вряд ли нужно добавлять, что недостаточно просто сравнивать 0,3%- ные растворы канцерогенов, ибо сильный канцероген эффективен при низких дозах, а слабый должен применяться в высокой концентрации. Если ограничиться одной какой- либо концентрацией, возникает опасность недооценить сильные канцерогены. Вот почему так важно установить соотношение доза — ответ для каждого канцерогена.

Кривые соотношения доза — ответ

Между инъекцией канцерогена и возможным развитием пальпируемой опухоли может пройти не один месяц. Тем не менее точные кривые соотношения доза — ответ могут быть получены даже для канцерогенных активностей с учетом того, что биологические показатели (вид, штамм, пол, возраст, пища и т. д.) остаются постоянными.

Фиг. 9.

На фиг. 9 представлен случай, описанный Брайнером и Шимкиным: канцерогенные углеводороды в указанных на оси абсцисс количествах подкожно вводили мышам и подсчитывали случаи развития сарком в месте однократного введения. Как видно из графика, 0,1 мг метилхолантрена достаточно, для того чтобы саркома развилась в 100% случаев. Для получения такого же эффекта бензипирена требуется раз в 10 больше.
Обычно опухоли не могут быть вызваны однократной обработкой животного. Как правило, нужно скармливать канцероген с пищей длительное время, чтобы вызвать, например, рак печени. Однако даже в случаях «хронического» скармливания прослеживается вполне четкая математическая зависимость. Рассмотрим случай индуцирования гепатом у крыс при скармливании им ДАБ (см. стр. 42). Этот пример был количественно проанализирован в 1948 г. Друкри [13] и Кюпфмюллером. Результаты сведены в табл. 3.
Последняя колонка в таблице не может не вызвать удивления. При суточной дозе как 3, так и 30 мг ДАБ на 1 крысу суммарная доза, необходимая для возникновения гепатомы, в каждом случае составляла около 1 г. При более низкой суточной дозе для достижения суммарной дозы
Таблица 3
Индуцирование рака печени при ежедневном скармливании N,N-диметил-4-аминоазобензола (ДАБ)

требовалось около года- при высоких дозах опухоли печени развивались через месяц. Полученные данные можно представить в виде формулы :D=dt, где D — суммарная доза, d — суточная доза и t — время.
Итак- воздействие ДАБ (способность вызывать опухоли) определяется суммированием отдельных доз («эффект суммации»). Как видно из результатов, первичное канцерогенное воздействие всех отдельных доз независимо от того, насколько они малы, сохраняется и суммируется на протяжении всей жизни подопытного животного, давая в сумме «индукцию опухоли» (Друкри).

Канцерогенные воздействия необратимы

По-видимому, ткань, а точнее, клетки ткани, не может оправиться от «канцерогенного действия» химического канцерогена. Если бы «процесс выздоровления» играл решающую роль, то имело бы значение время скармливания канцерогена животным в каждом конкретном случае: при длительных периодах скармливания (низкие дозы) процесс выздоровления был бы выражен отчетливее, чем при коротких. Поскольку, несмотря на разницу латентных периодов, опухоль развивается по достижении все той же общей дозы, отсутствие таких реакций не вызывает сомнения. Следовательно, воздействие ДАБ на клетки печени необратимо.
ДАБ — далеко не единичный случай. Многочисленные исследования вновь и вновь подтверждают необратимость воздействия канцерогенов. На это указывает и факт возникновения опухолей после однократного действия канцерогена (как при подкожной инъекции канцерогенных углеводородов). Но явление необратимости возможно убедительно продемонстрировать и в опытах с хроническим воздействием канцерогенов. В одном из таких опытов Шмель изучал действие диметиламиностильбена, недавно открытого канцерогена, с неумолимой точностью вызывающего опухоли ушного прохода у крыс. Эти разрастания пальпировались у всех подопытных животных почти одновременно (на протяжении пяти дней скармливания).
«Одной группе крыс ежедневно скармливали канцероген в дозе 1 мг/кг до возникновения опухоли ушного прохода. Другой группе попеременно на протяжении одной недели ежедневно давали двойную дозу (2 мг/кг), а на протяжении следующей — пищу без канцерогена. Обе группы в сумме получали одинаковую общую дозу. Если бы процесс выздоровления при канцерогенезе был возможен, то он проявился бы в то время, когда крысы не получали канцерогена, и для этой группы животных потребовалась бы более высокая общая доза, чем для группы, которая получала канцероген без перерыва. Однако этого не произошло: средние общие дозы в обеих группах практически оказались равными и составляли в эксперименте с постоянным скармливанием канцерогена 373±75 мг/кг, а в опытах с чередующимся скармливанием — 348 ±70 мг/кг. Следовательно, проведенный эксперимент подтвердил необратимость канцерогенного воздействия» (Шмель [35] ).
Все сказанное выше позволяет сделать следующий вывод: химический канцероген характеризуется эффектами суммации и необратимости, хотя в количественном отношении эта характеристика не является исчерпывающей. Время также относится к числу важных факторов канцерогенеза, не зависящих от конкретного канцерогена.