Мутагенное действие - токсикология полимерных материалов
Мутагенное действие ПМ и их компонентов. Среди используемых в современной технологии химических веществ значительная доля принадлежит соединениям, влияющим на наследственный аппарат животных и человека. Сегодня можно с уверенностью сказать, что вслед за проникающей радиацией химические мутагены — основная опасность для генофонда. По данным зарубежных авторов, у 6 % новорожденных обнаруживаются генетические дефекты, причем у 0,6 % — хромосомные аномалии- 6 % мертворождений и 50 % спонтанных абортов обусловлены хромосомными патологиями.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют об универсальности проявлений химического мутагенеза и о наличии его у человека. Широкое использование различных химических веществ повышает реальную опасность изменения наследственности.
Мутагенный эффект существенно отличается от классических проявлений интоксикаций. При этом подвергшийся воздействию индивидуум не страдает, а индуцированная патология передается из поколения в поколение. Методы изучения генетических повреждений и оценка их значительно отличаются от принятых в гигиенической токсикологии приемов и принципов. Многие исследователи считают, что пока еще трудно рассчитывать и на подтверждение экспериментальных данных эпидемиологическими наблюдениями. Но даже если бы они появились, выделить мутагенный фактор оказалось бы практически невозможно, не говоря уже о том. что результаты исследований были бы весьма запоздалыми.
Пока еще трудно сказать, станет ли мониторинг за человеческими популяциями одним из решений проблемы химического мутагенеза. Обнаружение наследственных изменений, особенно выявление рецессивных мутаций, которые могут не выражаться физически в течение многих поколений, сегодня еще невозможно. Значительно проще обследовать группы лиц на соматические эффекты, например, хромосомные аберрации в лимфоцитах у рабочих, контактирующих с потенциальными мутагенами. Сложность проблемы заключается в том, что подобные изменения не всегда происходят в половых клетках человека (в экспериментах на животных это можно проверить, исследуя ооциты и т. д.). Практически очень трудно показать на человеческой популяции повышение числа мертворожденных, абортов и наследственных изменений, обусловленных хромосомными аберрациями. Однако такие попытки сделаны (Klinger, Glasser, 1977).
Изучение мутагенной активности пластмасс и изделий из них имеет большое значение для защиты генофонда. Причем речь идет не только о здоровье будущих поколений из-за накопления мутаций в половых клетках, но и о благополучии ныне живущих людей ввиду возможности индукции злокачественных новообразований вследствие мутаций в соматических клетках человека. Распространение в биосфере слабых мутагенов может принести популяции не меньший ущерб, чем супермутагены, применение которых ограничено (И. А. Рапопорт, 1970).
Генетические повреждения развиваются вследствие генных или точковых мутаций, нарушающих структуру ДНК и приводящих к изменению синтеза различных белков и возникновению энзимопатий, хромосомных нарушений, видимых под микроскопом, изменения числа хромосом. Мутагенная активность вещества определяется суммой генных, хромосомных и геномных мутаций (нарушений хромосомного набора). Установлено, что одни вещества вызывают мутации во всех модельных тест-системах (алкилирующие соединения), другие — представляют генетическую опасность только для определенных организмов (акридиновые красители, пуриновые основания, нитриты и др.).
С возрастанием дозы мутагена происходит, хотя и неравномерное, увеличение генетического эффекта за счет возрастания всех видов мутаций. Однако при малых дозах мутагена вероятнее прирост генных мутаций, при больших — хромосомных. Наличие хромосомных аберраций — свидетельство возможности не только мутагенного, но и канцерогенного или тератогенного, эффекта. Повреждения хромосом или нарушение их нормального набора может быть причиной внутриутробной гибели плода, аномалий развития, наследственных заболеваний.
Установлена прямая зависимость мутагенного эффекта некоторых компонентов пластмасс от дозы вещества при повторном и хроническом воздействии: этиленимина, хлоропрена (Л. Д. Катосова, 1973), уретана (Т. И. Сувалова, 1972) и бензола. В других случаях зависимость может быть более сложной. И. В. Саноцкий (1976) настаивает на принципиальной невозможности достижения химическими мутагенами своего «рецептора» на низких уровнях воздействия при наличии процессов выведения яда из целостного организма при существовании обезвреживающего метаболизма.
В настоящее время существует более 100 биотестов для выявления мутагенности. Однако считается, что только один тест не может служить надежным доказательством опасности генетического эффекта. Выбор метода изучения мутагенной активности определяется химическим строением вещества, его биологической активностью, условиями воздействия на человека, характером и объемом групп населения, подвергающихся воздействию. Пока еще нет универсальной тест-системы, с помощью которой удалось бы без больших затрат сил, средств и времени выявить основные типы генетических повреждений.
Ценность информации, получаемой благодаря применению тех или иных тест-систем, определяется следующими признаками:
а) степенью генетического и метаболического сходства с человеком-
б) широтой спектра регистрируемых генетических повреждений-
в) возможностью экстраполяции эффектов, регистрируемых в соматических клетках, на мейотические клетки.
Многие ученые (С. Auerbach, 1979- В. J. Kilbey и соавт., 1981) считают дрозофилу вполне пригодной для скрининга тест-системой. Особая роль дрозофилы заключается в том, что она является эукариотическим организмом с типичными эукариотическими хромосомами- при тестировании используются половые, а не соматические, как во многих других системах клетки- все сцепленные с полом летали являются ядерными мутациями. Однако в последние годы не дрозофила, а микробные тесты получили наибольшее распространение, так как оказались пригодными для скрининга большого числа веществ. Для обнаружения мутагенов в пищевых продуктах и окружающей среды широко используется тест Эймса. Этот и другие микробные тесты позволяют изучать активность сложных смесей, в частности, комплекса веществ, мигрирующих из полимерных материалов, чтобы затем идентифицировать мутагенный компонент путем фракционирования. Но тест-система Эймса еще полностью не унифицирована.
Изучая мутагенную активность четырех мономеров, стирола, бутадиена, акрилонитрила и винилхлорида, F. Pancelet и соавторы (1980) установили, что искомый эффект зависит от условий проведения опыта, наличия или отсутствия системы метаболической активации, а также от индуктора микросом, использованного для предварительной обработки животных. Однако микробные тесты по своей природе не допускают прямой перенос данных и не могут определить пороговые дозы мутагенов и канцерогенов для млекопитающих, что необходимо как основа для гигиенической регламентации содержания токсических веществ в окружающей среде (Н. П. Дубинин, 1977).
При токсикологических исследованиях широко применяют цитогенетические методы. На культуре клеток млекопитающих удается выявлять прямые и обратные мутации генов, транслокации, делеции, дупликации, нерасхождения хромосом. Наиболее удобны для анализа хромосомных аберраций клетки костного мозга и лимфоциты периферической крови. Тест специфического локуса у мышей является, по-видимому, единственным для обнаружения точковых мутаций в зародышевых клетках млекопитающих. Но с помощью цитогенетических методов нельзя выявить генные мутации, так как изменения в клеточных ДНК не видны под микроскопом
Генетические исследования на культуре тканей (лейкоциты и др.) сопряжены с опасностью гипердиагностики из-за отсутствия в культуре тканей защитных систем, свойственных целостному организму (Brusick, 1977). Одновременно следует учитывать возможность образования в организме в процессе биотрансформации новых более активных, чем исходные, соединений.
Как подчеркивает Н. П. Бочков (1972), экстраполяция данных, полученных на соматических клетках, на зародышевые затруднена из-за возможности существования барьера для проникновения некоторых веществ в семенники. Поэтому исследования in vivo являются наиболее адекватными при решении задач гигиенической регламентации При этом генетико-генетическая оценка компонентов полимерных материалов должна осуществлять на уровне доз и концентраций, обусловленных реальными уровнями миграции в окружающую среду. Исследования следует проводить на половых клетках — носителях наследственной информации. Они более чувствительны к воздействию химических веществ, чем клетки костного мозга (А. М. Малашенко и соавт., 1981)
Наименее изученным вопросом является возможный уровень экстраполяции данных, полученных на всевозможных экспериментальных моделях, ближе или дальше отстоящих от человеческого организма на пути эволюционного развития. Необходимость научного обоснования такого рода экстраполяции стимулирует исследования сравнительного мутагенеза, предпринимаемые в настоящее время при решении гигиенических задач. Однако пока еще отсутствуют экспериментально доказанные правила экстраполяций с одного вида на другой, с соматических клеток на половые, с хромосомных аберраций на генные мутации (Н. П. Бочков, 1981). В настоящее время накоплены экспериментальные данные по изучению химического мутагенеза, обусловленного влиянием различных мономеров, используемых в синтезе пластмасс и способных мигрировать из них, загрязняя воздух, воду и пищевые продукты. Согласно И. В. Саноцкому и В. Н. Фоменко (1979), при ингаляционном воздействии обнаруживается мутагенный эффект хлоропрена — 0,13 мг/м3, этиленимина — 0,8 мг/м3, уретана — 0,1 мг/м3 .
Винилхлорид, бутадиен (С. Muster и соавт., 1980), изопрен проявляют активность в опытах на микроорганизмах- эпихлоргидрин — в опытах на дрозофиле, растениях, микроорганизмах и млекопитающих (клетки костного мозга, метод доминантных леталей, чашечный шест и др.- Б. Я. Экштат, Г. К. Исакова, 1969- Н. П. Бочков и соавт., 1976). Согласно С. А. Боканевой (1980), пороговая концентрация его в воздухе по мутагенному эффекту (цитогенетический анализ) — 1 мг/м3.
Этиленимин — наиболее мощный химический мутаген. Эффект установлен на микроорганизмах, насекомых, культуре клеток костного мозга млекопитающих (методом доминатных деталей), на культуре клеток человека (Н. П. Бочков и соавт., 1975). Данные о генетической активности стирола противоречивы. Исследования на дрозофиле дали отрицательный результат (В. О. Шефтель, Л. А. Шквар, 1966). Однако этот мономер проявляет мутагенную активность после метаболической активации. Под действием моно-оксигеназ микросом печени и других органов образуется стиролоксид, обладающий высокой генетической активностью на дрозофиле, дрожжах, клетках китайского хомячка и человека in vitro. Повышается частота хромосомных аберраций и сестринских хроматидных обменов в культуре лимфоцитов человека. При введении 1/1000—1/10 от ЛД50 крезолов у белых крыс обнаруживаются хромосомные аберрации (Б. Я. Экштат, Г. К. Исакова, 1969).
Формальдегид генетически активен в опытах на дрозофиле, но мутагенное действие его на млекопитающих не обнаружено (А. Bosler и соавт., 1985). Мутагенное действие хлоропрена установлено методом метаболической активации вещества в организме животных (Б. С. Фичиджян и соавт., 1978), методом доминантных деталей — на млекопитающих и культуре клеток человека (Н. П. Бочков и соавт., 1975).
Акриламид структурно сходен с акрилонитрилом и винилхлоридом. Он вызывает доминатные летальные мутации на стации поздних сперматид и ранних сперматозоидов (М. D. Sheldy и соавт., 1986). В то же время согласно А. Кнаап и соавт. (1984), мономер не проявляет мутагенной активности на дрозофиле, в тесте Эймса, в тестах на генные мутации, в клетках мышиной лимфомы. Генетический эффект бутадиена в зародышевых клетках человека описал С. Rosenthal (1985).
Согласно Н. Norppa и соавторов (1985), винилацетат является эффективным индуктором повреждения хромосом и сестринских хроматидных обменов в клетках млекопитающих. Продукт его превращения (ацетальдегид) в культуре лимфоцитов приводит к тому же цитогенетическому эффекту, что и винилацетат.
Капролактам не проявляет мутагенной активности в тесте Эймса и культуре клеток китайского хомячка (I. Kuroda и соавт., 1983).
Толуилендиизоцианаты обладают мутагенной активностью в тесте Эймса. Продукты их превращения в воде (диаминотолуилены) оказывают генетическое воздействие в культуре клеток печени и крыс (G. Swenberg, 1985).
Экспериментально обнаружена мутагенная активность в различных тест-системах целого ряда аминосоединений, способных мигрировать из пластмасс в окружающую среду. Так, генетическая активность этиламина, гексаметилентетрамина и триэтаноламина выявлена на дрозофиле (Н. П. Дубинин, 1970), этилендиамина и триэтилентетрамина — в тесте Эймса (A. Hedenstedt, 1978- J. Е. Hulla, 1981)- мутагенный эффект диметиламина — на мышах (М. A. Friedman и соавт., 1973). По данным Ш. Ауэрбах (1978), гидроксиламин вызывает разрывы хромосом в клетках млекопитающих. При введении мышам среднесмертельных доз оловоорганических стабилизаторов поливинилхлорида (бутилоловатрилаурата и оксида бистрибутилолова) Н. Н. Беляева и соавторы (1976) наблюдали цитогенетический эффект в клетках костного мозга. Слабым мутагеном является барий. В дозах 0,05—0,5 мг/кг он увеличивает число хромосомных аберраций (Г. Н. Красовский и соавт., 1980). Дозы цинка вызывают генетические изменения у млекопитающих— 5 мг/кг (6 мес) и 100 мг/кг (1 мес- Р. В. Меркурьева и соавт., 1979). На культуре соматических клеток грызунов отмечен высокий цитогенетический эффект шестивалентного хрома. Трехвалентный хром обладает незначительной активностью. Соединения хрома способны индуцировать не только хромосомные, но и генные мутации. Во всех случаях более активны соединения шестивалентного хрома. Как считает С. P. Flessel (1978), хром, медь, железо и свинец — мутагены для фагов и бактерий. Соединения алюминия, олова, кадмия, меди и свинца вызывают хромосомные аберрации или нарушения их деления в клетках животных и человека. Хотя, как показано выше, некоторые металлы способны вызывать генетические изменения в человеческих клетках, данные о возможности наследования этих генетических эффектов человеком не получены. Установлена генетическая активность некоторых растворителей, используемых в синтезе пластмасс. Так, обнаружена цитогенетическая активность циклогексанона на культуре лейкоцитов человека при концентрации его в культуральной среде 0,005—0,1 мг/л (В. Д. Дышловой и соавт., 1981).
Вещество проявляет мутагенную активность в тесте Эймса. Генетический эффект обнаруживается при ингаляционном воздействии его на уровне ПДК—11,5 мг/м3 (И. В. Саноцкий, В. Н. Фоменко, 1979). Толуол при длительном ингаляционном воздействии вызывает хромосомные аберрации. Мутагенные свойства дихлорэтана установлены на микроорганизмах (N. Rannung, С. Ramel, 1978).
Диметилацетамид при ингаляционном воздействии в концентрации 20 мг/м3 обладает мутагенной активностью (И. В. Сандцкий, В. Н. Фоменко, 1979). Диметилформамид в тесте Эймса мутагенной активности не проявляет, не вызывает также хромосомные аберрации в лимфоцитах периферической крови человека in vitro, сестринских хроматидных обменов и микроядер в клетках костного
мозга мышей In vivo (0,2—2000,0 мг/кг- I. L. Antoine и соавт., 1983).
Мутагенными свойствами обладают некоторые компоненты резин. Л. В. Самош и М. А. Пилинская (1967) на культуре лейкоцитов человека выявили активность цимата. Введение 50 мг/кг тиурама ЭФ в течение 2,5 мес оказало слабое мутагенное действие на соматические и половые клетки белых крыс (Н. В. Хорошилова, 1979). Подпороговой по этому эффекту была доза 5 мг/кг. Ускоритель вулканизации тиурам Д(ТМТД), используемый также как пестицид, не проявлял мутагенного действия в экспериментах на дрозофиле. В то же время А. И. Куриный и М. А. Пилинская обнаружили увеличение частоты хромосомных аберраций в клетках костного мозга мышей, подвергшихся воздействию этого препарата. Кроме того, с помощью цитогенетического анализа обнаружено достоверное увеличение числа аберрантных клеток в крови рабочих, контактировавших с ТМТД в течение 1—10 лет. G. Ове и В. Веек (1979) показали, что ацетальдегид в концентрации 2,5—15 мг/л индуцирует сестринские хроматидные обмены в клетках китайского хомячка in vitro. С. Е. Александров и В. С. Журков (1983) выявили более, чем двукратное повышение частоты клеток с аберрациями в лимфоцитах периферической крови у рабочих резино-технического производства по сравнению с контрольной группой, что, по мнению авторов, связано с воздействием ускорителей вулканизации.
Имеются данные о мутагенной активности и других компонентов полимерных материалов. В. О. Шефтель и соавторы (1976) обнаружили мутагенный эффект гидроперекиси изопропилбензола на млекопитающих (методом доминантных леталей) и дрозофиле. Мутагенная активность трибутилфосфата установлена на микроорганизмах (3. А. Гафиева, В. А. Чудина, 1986), ацетальдегида — в клетках яичника китайского хомячка (W. Au, F. М. Badr, 1979). I. Sbrana, N. Loprieno (1985) при внутрибрюшинном введении о-фенилиндиамина обнаружили увеличение процента хромосомных аберраций в клетках костного мозга мышей и культуре лимфоцитов человека.
Мутагенный эффект на микроорганизмах проявляют некоторые минеральные масла, метилендианилин, метилендихлорид, толуилендиизоцианаты, гидразин и резорцин, а на дрозофиле — гидразин и этиленгликоль.
При изучении мутагенной активности в различных тест-системах отрицательные результаты получены при исследовании следующих компонентов полимерных материалов- винилацетата, винилиденхлорида, винилметиладипата, дибутилсебацината, диметилфталата, дибутилфталата, диоктилфталата, диэтаноламина, октабромбифенила, меламина, этаноламина, триэтилцитрата, акрилонитрила, цинка, кобальта, диметилтерефталата, бутилакрилата, перекиси бензоила.
