Химический канцерогенез
 |
 Медлайн.Ру — РОССИЙСКИЙ БИОМЕДИЦИНСКИЙ ЖУРНАЛС. А. КУЦЕНКО ОСНОВЫ ТОКСИКОЛОГИИ, Санкт-Петербург, 2002 ГЛАВА 6.3. ХИМИЧЕСКИЙ КАНЦЕРОГЕНЕЗ Канцерогенами называются химические вещества, воздействие которых достоверно увеличивает частоту возникновения опухолей или сокращает период их развития у человека или животных. Судьба этих веществ в организме, как и других ксенобиотиков, подчиняется общим законам токсикокинетики. Однако в действии на организм им присущ ряд особенностей. Так, развивающиеся под их влиянием эффекты носят отсроченный характер и являются следствием, как правило, длительного кумулятивного действия в малых дозах. Активность рассматриваемой группы веществ в отношении молекул — носителей наследственности в известной степени уникальна. Первым, кто осознал возможность химической этиологии рака, был Percival Pott. В 1775 году им описан рак мошонки у ряда пациентов. Все они били трубочистами, что и натолкнуло доктора Pott на мысль, что длительный контакт кожи с сажей, может приводить к развитию рака. 100 лет спустя высокая частота рака кожи была выявлена у немецких рабочих, имевших длительный контакт с каменноугольной смолой — основным ингредиентом сажи. Позже было установлено, что веществами, содержащимися в смолах, и обладающими канцерогенной активностью, являются полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Характерные особенности строения этих соединений отражают структуры классических представителей группы: бензо(а)пирена и дибенз(а,h)антрацена (рисунок 1).
бнезо(а)пирен дибензо(а,h)антрацен Рисунок 1. Типичные представители группы полициклических углеводородов В 1935 году была доказана канцерогенная активность целого ряда азокрасителей. В 1937 году в опытах на собаках удалось показать, что ароматические амины, и в частности 2-нафтиламин, способны вызывать опухоли мочевого пузыря. Высокая частота случаев этого новообразования у рабочих, контактировавших с некоторыми красителями, была показана ещё в 19 веке. Следует различать понятия «канцерогенная активность» («канцерогенность») и «канцерогенная опасность» вещества. Канцерогенная активность свидетельствует о способности вещества индуцировать развитие злокачественных новообразований, позволяет осуществлять сравнение веществ по этому признаку при непосредственном воздействии их на биологический объект. Канцерогенная опасность включает в себя дополнительные условия: распространенность вещества, возможность контакта с ним, его стабильность в окружающей среде или в местах потенциальных контактов и др. 1.Краткая характеристика канцерогенов В настоящее время около 20 веществ, достаточно широко используемых в промышленности, отнесены к числу канцерогенов для человека (однако этот список постоянно увеличивается). Кроме того, убедительно доказано, что работа на целом ряде производств сопряжена с риском канцерогенеза, хотя конкретные причины (вещества), провоцирующие процесс не установлены. Это производства по синтезу аминов (рак мочевого пузыря), обработка изделий из хрома (рак лёгких), кадмия (рак простаты), никеля (рак слизистой полости носа и лёгких), резины (рак легких), гематитовые шахты (рак лёгких). Данные о смертности от новообразований, сопряженных с профессиональной деятельностью противоречивы. По оценкам специалистов США она может составлять от 5 до 20% всех смертей от рака в этой стране. В ряде случаев канцерогенез есть результат сочетанного действия ксенобиотиков. Так, ведущим канцерогенным фактором для человека является табачный дым. Показано, что около 90% случаев рака лёгких есть следствие неумеренного курения. До 30% смертей от рака мочевого пузыря и желудочно-кишечного тракта также связано с этой привычкой. Канцерогенными свойствами обладают некоторые вещества природного происхождения, например афлатоксины (провоцируют развитие рака печени). Высокое содержание афлатоксинов отмечается в продуктах питания, потребляемых жителями некоторых регионов мира (Африка, Восточная Азия). Здесь эти вещества поступают в организм человека в дозах, во много раз превосходящих канцерогенные для экспериментаьных животных. В материалах, опубликованных Международной Ассоциацией Исследований Рака (МАИР), содержится указание на более чем 60 вероятных и 150 возможных веществ, факторов и производств, контакт с которыми сопряжен с реальным риском развития новообразований (таблица 1). Национальный перечень содержит большее количество веществ (таблица 2). Еще обширнее перечень веществ, являющихся канцерогенами для животных. Все они также рассматриваются как источник потенциальной опасности для человека. Таблица 1. Некоторые вещества и химические факторы, канцерогенные для человека (группа 1 по классификации МАИР) |
| Химический фактор | Органы-мишени |
| ПРИРОДНЫЕ И ПРОМЫШЛЕННЫЕ КАНЦЕРОГЕНЫ | |
| 1. 4-Аминобифенил | Мочевой пузырь |
| 2. Асбест | Легкие, плевра, брюшина, желудочно-кишечный тракт, гортань |
| 3. Афлатоксины | Печень, легкие |
| 4. Бензидин | Мочевой пузырь |
| 5. Бензол | Кроветворная система |
| 6. Берилий и его соединения | Легкие, ЦНС |
| 7. Бисхлорметиловый эфир и технический хлорметиловый эфир | Легкие |
| 8. Винилхлорид | Печень, кровеносные сосуды, мозг, легкие, лимфатическая система |
| 9. Горчичный газ (сернистый иприт) | Глотка, гортань, легкие |
| 10. Кадмий и его соединения | Легкие, предстательная железа |
| 11. Каменноугольные пеки | Кожа, легкие, мочевой пузырь, гортань, полость рта |
| 12. Каменноугольные смолы | Кожа, легкие, мочевой пузырь |
| 13. Минеральные смазочные масла | Кожа, легкие, мочевой пузырь. желудочно-кишечный тракт |
| 14. Мышьяк и его соединения | Легкие, кожа |
| 15. 2-Нафтиламин | Мочевой пузырь, легкие |
| 16. Никель и его соединения | Полость носа, легкие |
| 17. Радон и продукты его распада | Легкие |
| 18. Сажи | Кожа, легкие |
| 19. Сланцевые масла | Кожа, желудочно-кишечный тракт |
| 20. Тальк, содержащий асбестовые волокна | Легкие |
| 21. Хром шесивалентный и его соединения | Легкие, полость носа |
| 22. Эрионит | Плевра, брюшина |
| 23. Этилен-оксид | Кроветворная и лимфатическая системы |
| КАНЦЕРОГЕННЫЕ ЛЕКАРСТВЕННЫЕ ПРЕПАРАТЫ: | |
| 24. Азатиоприн | Лимфатическая система, мезенхима, кожа, гепатобиллиарная система |
| 25. Анальгетические смеси, содержащие фенацетин | Мочевой пузырь, почки |
| 26. 1,4-Бутандиол диметансульфонат (Милеран) | Кроветворная система |
| 27. Диэтилстильбестрол | Шейка матки, влагалище, яички, молочная железа, матка |
| 28. Контрацептивы (пероральные, применяемые циклически) | Матка |
| 29. Контрацептивы (пероральные, комбинированные) | Печень |
| 30. Заместительная эстрогенотерапия | Матка, молочная железа |
| 31. Мелфалан | Кроветворная система |
| 32. 8-Метоксипсорален (Метоксален) в сочетании с УФ-облучением | Кожа |
| 33. МОРР (комбинированная терапия азотистым ипритом, винкристином, прокарбазином, преднизолоном) | Кроветворная система |
| 34. Нестероидные эстрогены | Шейка матки, влагалище, яички, молочная железа, матка |
| 35. Стероидные срогены | Матка, молочная железа |
| 36. Тамоксифен | Матка |
| 37. ТиоТЭФ | Кроветворная система |
| 38. Треосульфан | Кроветворная система |
| 39. Хлорамбуцил | Кроветворная система |
| 40. N,N-Бис(2-хлорэтил)-2-нафтиламин (хлорнафазин) | Мочевой пузырь |
| 41. 1-(2-Хлорэтил)-3-(4-метилциклогексил)-1-нитрозомочевина | Кроветворная система |
| 42. Циклофосфамид | Мочевой пузырь, кроветворная система |
| 43. Циклоспорины | Лимфатическая система |
| КАНЦЕРОГЕННЫЕ БЫТОВЫЕ ФАКТОРЫ: | |
| 44. Алкогольные напитки | Глотка, пищевод, печень, гортань, полость рта, молочная железа |
| 45. Бетель для жевания с табаком | Полость рта, глотка, пищевод |
| 46. Соленая рыба, приготовленная китайским способом | Полость носа, глотка, желудок, пищевод |
| 47. Табак (курение, табачный дым) | Легкие, мочевой пузырь, полость рта, гортань, глотка, пищевод, поджелудочная железа, почки |
| 48. Табачные продукты для жевания | Полость рта, глотка, пищевод |
| КАНЦЕРОГЕННЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ | |
| 49. Выплавка чугуна и стали | Легкие, желудочно-кишечный тракт, кроветворная система, мочеполовая система |
| 50. Газификация угля | Кожа, легкие, мочевой пузырь |
| 51. Подземная добыча гематита с экспозицией к радону | Легкие |
| 52. Производство и ремонт обуви | Полость носа, кроветворная система, глотка, легкие, печень, желудочно-кишечный тракт, мочевой пузырь |
| 53. Производственная экспозиция к красителям | Легкие |
| 54. Производство алюминия | Легкие, мочевой пузырь, лимфатическая система |
| 55. Производственные воздействия аэрозолей, содержащих серную кислоту | Полость носа, гортань, легкие |
| 56. Производство аурамина | Мочевой пузырь, предстательная железа |
| 57. Производство изопропилового спирта | Полость носа, гортань |
| 58. Производство кокса | Кожа, легкие, почки |
| 59. Производство мебели | Полость носа |
| 60. Производство фуксина | Мочевой пузырь |
| 61. Резиновая промышленность | Мочевой пузырь, кроветворная система, легкие, желудочно-кишечный тракт, кожа, лимфатическая система |
(Цит. по Худолей В.В., Мизгирев И.В., 1996)
Таблица 2. Национальный перечень канцерогенов (перечень веществ, продуктов, производственных и бытовых факторов, канцерогенных для человека. — Москва СССР. — N6054-91 от 19.11.1991.)
| I. Соединения и продукты, производимые и используемые промышленностью; природные канцерогены: 4-Аминобифенил 1,2,3 * Асбест 1,2 Афлатоксины В1, В2, С1, С2 2 Бензидин 1,2,3 ** Бензол 1,3 Бенз(а)пирен 1,2,3 Бериллий и его соединения 1 Бисхлорметиловый и хлорметиловый эфиры 1 Винилхлорид 1,2 Возгоны каменноугольных смол и пеков 1,2,3 Иприт сернистый 1 Каменноугольная и нефтяная смолы 1,3 Каменноугольный и нефтяной пеки 1,3 Минеральные масла неочищенные или не полностью очищенные 1,2 (используются для смазки, теплопередачи и т.п.) Мышьяк и его неорганические соединения (триоксид, арсенат кальция, арсенит натрия, пентоксид, сульфид) 1,2,3 1-Нафтиламин технический, содержащий более 0,1% 2-нафтиламина1,2,3 2-Нафтиламин 1,2,3 Никель и его соединения (никеля оксид, гидроксид, карбонил, хлорид, субсульфид, карбонат, никелоцен, сульфид, хромфосфат)1 Смеси соединений никеля (файнштейн, никелевый концентрат и агломерат, оборотная пыль очистных устройств)1 Сланцевые масла 1,3 Тальк, содержащий асбестовые волокна 1 о-Толуидин 1,2,3 Хрома шестивалентного соединения (хроматы, бихроматы, оксиды, карбонил, фосфат, хлорид, ацетат, сульфат) 1 Эрионит 1 |
| II. Лекарственные препараты и методы лечения: Азатиоприн Анальгетические смеси, содержащие фенацетин Мелфалан Комбинированная химиотерапия с использованием азотистого иприта, винкристина, прокарбазина, преднизолона и других алкилирующих агентов Милеран Треосульфан Хлорамбуцил 1-(2-Хлорэтил)-3-(4-метилциклогексил)-1-нитрозомочевина Циклофосфамид Эстрогены стероидные (эстрадиол-17 и его эфиры, эстриол, эстрон, этинил эстрадиол, местранол, конъюгированные эстрогены) Эстрогены нестероидные (диэтилстильбестрол, диеноэстрол, гексэстрол) Эстрогенсодержащие контрацептивы орального применения |
| III. Производственные процессы, связанные с опасностью развития злокачественных новообразований у рабочих *** Деревообрабатывающее и мебельное производство (машнная обработка дреесины и мебельных заготовок в закрытых помещениях, фанерование) Медеплавильное производство (плавильный передел, конверторный передел, огневое рафинирование) Производство 1-нафтиламина, содержащего примесь 2-нафтиламина Производство изопропилового спирта Производство кокса, переработка каменноугольной, нефтяной и сланцевой смол, газификация угля Производство резиновых изделий Производство технического углерода Производство угольных и графитовых изделий, производство анодных и подовых масс, а также предварительно обожженных анодов для электролизеров алюминия Производство чугуна и стали (агломерационные фабрики, доменное и сталеплавильное производство, горячий прокат) и литье из них Электролитическое производство алюминия с использованием самоспекающихся анодов, капитальный ремонт электролизеров |
| IV. Бытовые факторы: Алкоголь Табачный дым Табачные продукты бездымные |
Примечания: * — цифры означают основные пути поступления вещества или сесей веществ в организм: 1 — нгалционный, 2 — пероральный, 3 — через кожу.
** — производство и применение запрещено.
*** — помимо перечисленных к таким производствам относят также те, на которых имеется воздействие на человека веществ и продуктов, перечисленных в разделах I и II.
2.Классификации канцерогенов
Предложено классифицировать канцерогены по происхождению, химической структуре, степени участия в различных стадиях развития рака, по степени доказанности их канцерогенной активности и т.д.
1.Происхождение канцерогенов.
Природные канцерогены, это вещества, содержание которых в среде не зависит от деятельности человека. Их вклад в онкозаболеваемость считается незначительным. Так, установлено, что ежесуточно на поверхность Земли выседает около 170 т метеоритной пыли, в составе которой обнаруживаются полициклические ароматические углеводороды (ПАУ).
На планете в настоящее время действует около 520 вулканов, их ежегодный выброс составляет 3-6 млрд. т химических веществ (аэрозоли, пепел, лава, газы). С пеплом в атмосферу может поступить до 12-24 т только одного бенз(а)пирена, не считая других ПАУ.
Обнаружены и описаны природные источники таких канцерогенов как мышьяк, асбест, афлатоксины, радионуклиды и др. Так, значительное число злокачественных новообразований кожи наблюдается на юго-западном побережье острова Тайвань, где население потребляет воду с высоким содержанием мышьяка — до 1,8 мг/л (ПДК в России — 0,05 мг/л).
Иногда канцерогены естественного происхождения могут накапливаться в организмах живых существ и растениях и по пищевым цепям попадать в организм человека (токсины сине-зленых водорослей, афлатоксины).
Канцерогены антропогенного происхождения появились тогда, когда люди научились пользоваться огнем (около 500 тыс. лет назад). По-видимому, первыми искусственными канцерогенами были продукты пиролиза белков. Накопление канцерогенов в биосфере возрастало параллельно интенсификации промышленного производства. Процесс ускорился в последние десятилетия ХХ века. Например, производство бензола, вызывающего у людей лейкозы, составляет ежегодно 12 млн. т. Полихлорированных бифенилов произведено к настоящему времени 1,2 млн. т. Несмотря на запрещение выпуска и использования ПХБ их концентрация во всех средах биосферы и биообъектах не снижается. Суммарное поступление этих токсикантов в окружающую среду достигает 35% от произведенной массы. Из этого количества лишь 4% подвергается естественной деградации.
2.Химическая структура.
К канцерогенам относятся вещества, имеющие совершенно различное химическое строение (рисунок 2). Среди них ПАУ и гетероциклические соединения, ароматические азосоединения, ароматические аминосоединения, нитрозоамины и нитроамины, металлы, металлоиды и неорганические соли и др.
Рисунок 2. Структура некоторых канцерогенв, синтетиеских и естественного происхождения
3.Участие в различных стадиях развития рака (см. ниже).
4.Степень доказанности канцерогенной активности вещества.
Наиболее полный перечень веществ, исследованных на их канцерогенную активность, и соответственно их классификация принадлежит Международному Агентству Изучения Рака (МАИР, Лион, Франция). В нем представлены данные по более чем 800 соединениям. Список непрерывно пополняется.
Первая группа включает вещества, производственные или иные факторы, для которых имеются безусловные доказательства опасности возникновения опухолей у человека, то есть как минимум убедительные эпидемиологические данные (список веществ 1-й группы приведен выше). В эту группу вошло более 60 факторов, причем не только отдельные соединения, применяющиеся в быту, медицине, сельском хозяйстве, промышленности, но и сами производственные условия.
Вторая группа включает те факторы, которые «вероятно» (т.е. с высокой степенью доказанности) или «возможно» (с меньшей степенью доказанности) канцерогенны для человека. Эта группа делится на 2 подгруппы: 2А — 51 фактор (акрилонитрил, формальдегид, диметилсульфат, нитрозодиэтиламин и др.) и 2Б — 192 фактора (кобальт, ДДТ, акриламид, нитропирены, ПХБ и др.).
Третья группа включает 446 химических веществ, которые сегодня, на основании имеющихся данных, не могут быть отнесены к факторам канцерогенного риска для человека.
Четвертая группа — агенты, для которых существуют убедительные доказательства отсутствия канцерогенной опасности для человека (до недавнего времени здесь числилось только одно вещество — капролактам).
Перечень МАИР постоянно изменяется в результате проведения все новых и новых исследований. Он носит рекомендательный, а не обязательный характер. На территории Российской Федерации действует иной список канцерогенов, утвержденный Минздравом (приводится выше).
3.Стадии химического канцерогенеза
Индукция опухолевого роста химическими веществами — сложный, многостадийный процесс, включающий взаимодействие факторов окружающей среды и эндогенных факторов. Особенностью химического канцерогенеза является длительный период, отделяющий воздействие вещества, вызывающего опухолевый рост, от появления опухоли. Длительность периода не может быть объяснена медленным процессом созревания опухоли, т.е. превращением её из микро- в макрообразование. В ходе этого периода в «поврежденной» клетке осуществляются сложные процессы, течение которых иногда не возможно без действия дополнительных веществ (или факторов), приводящие, в конечном итоге, к её неопластической трансформации. Канцерогенез проходит через несколько стадий перед тем, как окончательно сформируется собственно опухоль. В эксперименте, как правило, выделяют три таких стадии развития опухоли: инициации, промоции, прогрессии.
Инициация опухолевого роста. Процесс непосредственного действия канцерогена на клетки, запускающий их трансформацию, называется инициацией опухолевого роста.
Впервые термин инициация был предложен в 1941 году Rous и Kidd для обозначения манипуляции, состоящей в аппликации смолы на кожу уха кролика, с целью вызвать в дальнейшем опухолевый рост. Как правило, в эксперименте для провокации неоплазмы, лишь инициации недостаточно. Необходимы и другие условия, которые определяются видом экспериментального животного, факторами окружающей среды.
Стадия инициации включает быстрое, практически необратимое повреждение генетического материала клеток, предрасполагающее их к последующему неопластическому развитию (см. разделы «Механизм действия», «Мутагенез»). оврежденные клетки называются «инициированными» и нуждаются в периоде репликации генетического материала, с тем, что бы зафиксировать вызванные изменения (мутации). В соответствии с существующими представлениями, инициированная клетка может длительное время оставаться в состоянии покоя, не проявляя агрессии, до тех пор, пока не подействует другой (другие) фактор, побуждающий клетку к делению, клонообразованию и, тем самым, формированию опухоли.
Характерными особенностями действия инициаторов являются:
— необратимость;
— куммулятивность;
— отсутствие морфологических проявлений;
— зависимость эффекта от особенностей метаболизма клетки и фаз её клеточного цикла;
— беспороговость.
Промоция опухолевого роста. Процесс, в ходе которого инициированная клетка завершает неопластическую трансформацию называется промоцией.
Промоторы, это вещества, в строгом смысле слова, не являющиеся канцерогенами, однако их воздействие необходимо для развития опухоли. Полагают, что промоторы осуществляют экспрессию трансформировавшихся генов, что и приводит в последующем к манифестации неопластического превращения инициированной клетки. В качестве промоторов могут выступать гормоны, лекарственные препараты, продукты жизнедеятельноти растений, которые вступаю во взаимодействие с клеточной мембраной, рецепторными структурами ядра или цитоплазмы инициированной клетки и побуждают её к делению. Примеры структур некоторых промоторов представлены на рисунке 3.
 |
 сахарин ТХДД фенобарбитал+ Щелкните для загрузки увеличенной копии (3,07кб, 569×168 GIF) |
|
Рисунок 3. Примеры химического строения некоторых промоторов
Многие промоторы являются органо-специфичными. Так, сахарин — промотор экспериментальных опухолей мочевого пузыря крыс, инициируемых метилнитрозомочевиной; фенобарбитал, ТХДД — промоторы опухолей печени. Помимо указанных на рисунке 3, промоторами являются, например, эфиры форбола, (промотируют опухоли кожи), желчные кислоты (промоторы опухолей толстой кишки у экспериментальных животных), некоторые гормоны (пролактин ускоряет в эксперименте развитие опухоли молочной железы, инициируемой диметилбензантраценом), пищевые жиры, табачный дым, асбест, галогенированные углеводороды, алкоголь, и т.д.
Классический пример действия промоторов может быть представлен в эксперименте. На кожу спины мышам апплицируют диметилбенз(а)антрацен в количествах практически не увеличивающих вероятность появление опухоли в течение всей жизни животных. Спустя неделю (и более) на пораженный участок начинают периодически наносить эфиры форбола (например, 12-О-тетрадеканоилфорбол-13-ацетат). В результате опухоли начинают появляться уже спустя 5 — 6 недель после начала действия промотора, а у большинства животных опухолевый рост выявляется в течении 12 недель.
Целый ряд канцерогенов являются одновременно и инициаторами и промоторами опухолевого роста (полные канцерогены) (рис. 3).
Действие промоторов характеризуется следующими особенностями:
— обратимостью и неаддитивностью;
— наличием морфологических проявлений опухолевого роста;
— пороговостью;
— модулируемостью факторами окружающей среды.
У человека развитие неоплазмы, по сути, может быть в основном следствием действия средовой промоции.
Прогрессия. Этим термином обозначают процесс малигнизации до того доброкачественной опухоли. Полагают, что в его основе лежит дальнейшая трансформация генетического материал клеток.
4.Механизмы действия
Как сказано выше, к числу канцерогенов в настоящее время причисляют любое вещество, которое ускоряет развитие опухолей или увеличивает частоту появления новообразований в популяции. В этой связи канцерогенами, в широком смысле слова, являются и инициаторы и промоторы опухолевого роста, а следовательно и механизмы канцерогенного действия веществ чрезвычайно разнообразны. По современным представлениям, следует выделять генетические и эпигенетические механизмы химического канцерогенеза. Вещества, действующие на геном клетки называются «генотоксическими агентами», вещества провоцирующие опухолевый рост через иные механизмы — «эпигенетическими агентами». К числу эпигенетических эффектов следует отнести повреждение механизмов генной экспрессии, иммуносупрессию (см. раздел «Иммунотоксичность»), нарушение гормонального баланса и др. (см. таблицу 3).
Таблица 3. Некоторые примеры генотоксических и эпигенотоксических канцерогенов
| Генотоксические канцерогены | Эпигенотоксические канцерогены |
| Алкилирующие агены Бенз(а)пирен Винилхлоид Диметилнитрозамин Мышьяк, никель, хром Радиация | Асбест Эстрогены, андрогены Эфиры форбола Желчные кислоты Хлорорганические соединения Сахарин |
Для многих канцерогенов, действующих на геном клетки, первичной мишенью является молекула ДНК (см. раздел «мутагенез»). В этой связи проводятся исследования по детализации механизмов взаимодействия потенциальных канцерогенов с нуклеотидами, их идентификации, характеристике формирующихся связей. У человека пока не доказана возможность канцерогенного действия веществ, не способных образовывать ковалентные связи с ДНК. Но у бактерий и обратимое связывание ксенобиотика вызывает мутации, что заставляет предположить, что значительно больший круг веществ, чем принято считать, может инициировать опухолевый рост.
В пользу того, что молекула ДНК является критической структурой канцерогенеза, говорят следующие факты:
— нарушения хромосомного аппарата клеток (мутации) выявляется при большинстве новообразований;
— большинству раков сопутствует нарушение процесса генной экспрессии;
— в основе развития многих опухолей лежит активация онкогенов;
— неоплазма самораспространяющийся процесс, т.е. раки формируются на клеточном уровне;
— некоторые нарушения генома предрасполагают к развитию новообразований;
— экспериментально доказано, что канцерогены образуют ковалентные связи с молекулой ДНК;
— нарушение механизмов репарации ДНК предрасполагает к канцерогенезу.
Определенные гены нормальных клеток обладают особой чувствительностью к действию химических канцерогенов. Это так называемые онкогены. По-видимому, их функция состоит в регуляции клеточного роста и дифференциации клеток. Химические мутации именно этих генов активно трансформируют клетку в сторону неопластических процессов. Механизмы такой трансформации до конца не выяснены. Полагают, что в основе процесса лежит синтез особых протеинов (или полипептидов), содержание которых в клетке оказывается критичным для инициации их роста и размножения. Видимо, функции этих белков связаны с механизмами передачи и восприятия многочисленных регуляторных сигналов, управляющих проессами роста и размножения клеток. К числу таких протеинов, в частности, могут быть отнесены: цитокины, белки-рецепторы цитокинов, факторы клеточного роста, рецепторы факторов клеточного роста, ГТФ-связывающие протеины, тирозинкиназы, серин/треонин киназы, ДНК-связываемые протеины и т.д.
В клетках существуют гены, ответственные за синтез белков, и так называемые гены-супрессоры клеточного роста. Если ген-супрессор мутировал, то в клетке не синтезируются белки, тормозящие её размножение, создаются условия для канцерогенеза. Наиболее изученным геном-супрессором является ген р53. Белок, синтез которого управляется данным геном, является регулятором других генов, от которых зависит реализация цикла клеточного деления. Мутация гена приводит к дефициту белка и клетка утрачивает способность блокировать процесс пролиферации.
Механизмы репарации генома замещают повреждённый участок молекулы ДНК с восстановлением её нормальных функций, поэтому далеко не любое взаимодействие нуклеиновой кислоты и ксенобиотика завершается канцерогенезом. Механизмы репарации многочисленны (см. соответствующие разделы). Идентифицировано более 100 генов, регулирующих процессы репарации. Для того, чтобы оказаться эффективной, репарация должна осуществляться до начала цикла деления поврежденной клетки. Если этого не происходит, нрушения генома наследутся клетками следующих поколений (закрепляются). Таким образом, вещества повреждающие процессы репарации не могут инициировать канцерогенез, но в состоянии значительно влиять на вероятность неопластических трансформаций. Особенно чувствительна молекула ДНК к действию токсикантов в период активации репродуктивных процессов в клетке. В это время наиболее вероятно формирование точечных мутаций, транспозиции генов, других генетических нарушений. С повреждающим действием химических канцерогенов на генетический аппарат клетки можно связать длительный временной интервал между действием канцерогена и манифестацией опухолевого роста.
Взаимодействие ксенобиотиков с протеинами, регулирующими экспрессию генов, также может сопровождаться трансформацией клетки. Репродукция повреждённых и трансформировавшихся клеток приводит к пренеопластическим состояниям, которые в ряде случаев выявляются даже клинически.
Помимо непосредственного действия канцерогенов на молекулы-мишени возможен еще один механизм их повреждения, это активация образования свободных радикалов в клетках организма. Косвенным доказательством значения свободнорадикального механизма в канцерогенезе является, показанная в эксперименте, способность антиоксидантов подавлять химический канцерогенез.
5.Коканцерогены
Коканцерогенами называются вещества, которые существенно увеличивают вероятность формирования новообразований, действуя на организм или совместно с канцерогенами, или до него. Промоторы отличаются от коканцерогенов тем, что реализуют эффект лишь при действии после инициатора опухолевого роста. В качестве коканцерогенов могут выступать гормоны, иммуномодуляторы, факторы питания и т.д. Возможные механизмы коканцерогенной активности представлены на таблице 4.
Таблица 4. Предполагаемы механизмы коканцерогенеза
| — Увеличение скорости и объема захвата канцерогенов клетками — Интенсификация процессов биоактивации проканцерогенов в организме — Подавление процессов биологической детоксикации канцерогенов — Угнетение механизмов репарации поврежденной ДНК — Усиление процессов превращения повреждений ДНК в перманентное состояние |
Действие некоторых коканцерогенов является доказанным в эксперименте. Например, пыль диоксида кремния является коканцерогеном бенз(а)пирена, вызывающего карциному гортани, трахеи, легких у экспериментальных животных.
Вещества, содержащиеся в табачном дыму, являются коканцерогенами асбеста. Так, у рабочих профессионально контактирующих с асбестом частота смертей от рака легких в пять раз выше, чем у лиц контрольной группы (не контактируют с асбестом; не курят). У курильщиков частота злокачественных заболеваний легких в 11 раз выше. У курящих рабочих асбестовых предприятий частота новообразований в 55 раз больше, чем у лиц контрольной группы. Хотя табачный дым содержит незначительное количество генотоксических канцерогенов, таких как полиароматические углеводороды и нитрозамины, в его составе обнаруживается целый ряд коканцерогенов и промотеров в форме катехолов и фенольных соединений, играющих большую роль в канцерогенезе у курильщиков.
Важную роль в модуляции канцерогенеза играют гормоны. Так, крысы самцы значительно более чувствительны к канцерогенному действию 2-ацетаминофлюорена (рисунок 4), чем самки. Введение самцам эстрадиола снижает их чувствительность к канцерогену.
Рисунок 4. Структура 2-ацетиламинофлюорена
6.Метаболизм и биоактивация канцерогенов
Большое значение для развития опухолевого роста при действии ксенобиотиков имеют особенности их метаболизма (рисунок 5).
Рисунок 5. Роль цитохрома Р450 в процессах химического канцерогенеза
Общим свойством многих канцерогенов является их способность к биотрансфомации с образованием высоко реакционноспособных соединений, активно взаимодействующих с макромолекулами. Реактивные метаболиты являются сильными электрофилами. Они неэнзиматически взаимодействуют с большим числом нуклеофильных сайтов клеточных макромолекул (пептидов, протеинов, РНК, ДНК и т.д.), образуя с ними ковалентные связи. Основным местом связывания являются белки. Так, в результате действия на организм азокрасителей их метаболиты оказываются ковалентно связанными с белками гепатоцитов. Метаболиты бенз(а)пирена образуют ковалентные связи с белками клеток кожи и т.д. Однако ДНК также является мишенью воздействия реактивных метаболитов в этих органах. Более того, установлено, что большинство «исходных» соединений канцерогенной активностью не обладает. Это позволило Elizabet и Miller ввести в практику такие термины, как «проканцероген» и «полный канцероген». Вещества, приобретающие свойства канцерогенов в процессе метаболизма, называются проканцерогенами. Химические вещества, непосредственно взаимодействующие со структурными элементами клетки и вызывающие тем самым ее трансформацию, называются полными канцерогенами.
Ряд веществ изначально обладают свойствами полных канцерогенов. Это активные в химическом отношении молекулы или вещества, приобретающие свойства сильных электрофилов в результате неэнзиматических превращений (рисунок 6). Как правило, непосредственно действующие канцерогены вызывают опухоли тканей на месте аппликации (кожи, дыхательных путей, желудочно-кишечного тракта).
Рисунок 6. Структура некоторых первичных, полных канцерогенов
Метаболизм проканцерогенов и их биоактивация осуществляется в тех же органах и с помощью тех же механизмов, что и других ксенобиотиков (см. раздел «Метаболизм чужеродных соединений»). Естественно в организме животных разных видов скорость и характер биопревращений существенно различаются. Сказанное позволяют объяснить выраженные видовые различия в чувствительности к канцерогенам.
Существует и еще один аспект этого явления. Как хорошо известно в ходе метаболизма ксенобиотиков активируются процессы перекисного окисления липидов и образования вторичных активных радикалов, что также может иметь значение в инициации канцерогенеза (см. выше).
7.Краткая характеристика токсикантов
7.1. Бензол
Бензол является исходным продуктом синтеза большого количества веществ и входит в первую десятку наиболее потребляемых промышленностью соединений.
Это бесцветная летучая жидкость со своеобразным ароматическим запахом; температура кипения около 800, давление пара 100 мм Hg. Легко воспламеняется. Вещество ограниченно растворяется в воде (1 : 1420), но хорошо смешивается с маслами и спиртами. Впервые описано Фарадеем в 1825 году. Промышленное производство налажено в 1849 году.
Впервые случаи лейкозов, обусловленные действием бензола, описаны в 1897 году (Le Noir, Claud, 1897). Однако процент заболеваний, индуцированных веществом, в сравнении с общим количеством лейкемий был невелик. Повышение значения этого феномена связано с широким распространением бензола в современных технологических процессах. Анализ показывает, что многие вещества, угнетающие костный мозг, могут одновременно вызывать и лейкемии. В 60-е годы было отмечено существенное увеличение числа лейкемий у турецких рабочих, занятых в обувной и кожевенной промышленности и контактировавших с клеящими материалами на основе бензола. Публикация этих данных и сообщение об аналогичных наблюдениях на итальянских предприятиях, послужили поводом проведения серьёзных токсико-эпидемиологических исследований среди лиц, контактрующих с бензолм. В ходе тих исследований удалось подтвердить лейкемогенное действие бензола.
Помимо производства бензол оказывает действие на человека и через окружающую среду. Бензол нередко выделяется при горении различных веществ и является составной частью дыма при пожарах, сигаретного дыма, выхлопных газов. Содержание его в бензине от 0,5 до 2%. Бензол — естественный компонент овощей, фруктов, мяса, яиц. Содержание его в продуктах питания от 2 до 2100 мкг/ кг. Вещество не способно к материальной кумуляции и потому его экологическое значение определяется количеством потребляемых продуктов, содержащих это соединение. С позиций концепции пороговости в действии токсикантов на организм значение бензола, как экологического фактора, ничтожно. Если допустить беспороговый характер действия вещества, хотя бы по способности вызывать лейкемию, можно говорить о некоторой его опасности, как «средового» фактора.
Спорным остаётся вопрос о вредном действии бензола, как компонента табачного дыма (последний содержит массу других токсичных веществ, среди которых: полиароматические углеводороды, 1,3-бутадиен и т.д.). Курильщик, в среднем, в сутки потребляет примерно в 10 раз больше бензола (1800 мкг/ день для выкуривающего пачку сигарет), чем некурящий. Однако, если основываться на пороговости в действии токсиканта, это количество составляет ничтожную часть от дозы, вызывающей токсический эффект.
В настоящее время представления о пороговости лейкемогенного действия бензола не однозначны. По мнению ряда специалистов, способность вещества вызывать лейкемии носит стохастический беспороговый характер. При этом полагают, что кумуляция эффекта и развитие лейкемии могут произойти не зависимо от действующей концентрации токсиканта. Риск развития лейкемии от контакта с веществом в той или иной дозе устанавливается путем экстраполяции данных, получаемых при действии высоких концентраций бензола, к условиям контакта с малыми дозами вещества (см. ниже).
Согласно другой точке зрения, порог лейкемогенного действия существует. В этой связи контакт с веществом в малых концентрациях объявляется неопасным. Накопилось немало клинических и экспериментальных данных, подтверждающих эту точку зрения. Показана высокая степень корреляции между возникновением лейкемии и наличием в анамнезе данных об интоксикации бензолом, проявившимся нарушениями со стороны системы крови. В многочисленных работах описаны случаи перерастания панцитопении, угнетения костного мозга, его гипоплазии и апластической анемии, вызванных бензолом, в острый миелоидный лейкоз. С другой стороны, практически отсутствуют описания случаев лейкемий, вызванных бензолом, без предшествовавшего им этапа (в анамнезе) панцитопении. Вместе с тем хорошо известно, что у лиц, перенёсших лучевую или химеотерапию по поводу новообразований, изменения со стороны костного мозга регистрируются в течение длительного времени, иногда годами после полной нормализации показателей периферической крови. Из этого следует, что нормальные показатели крови у лиц, контактирующих (контактировавших) с бензолом, ещё не являются свидетельством отсутствия его пагубного действия на организм.
Каким образом токсическое действие бензола перерастает в лейкемогенное остаётся неясным.
Как следует из имеющихся (порой противоречивых и не всегда в полной мере доказанных) наблюдений, наиболее частым типом лейкемий, вызываемых бензолом, являются острые миелоидные лейкозы (ОМЛ), особенно острая миелобластная лейкемия, мономиелоцитарная лейкемия и эритролейкемия. При диагностике последней формы следует проводить дифференциальный диагноз с компенсаторной эритроидной гиперплазией. Другие типы лейкемий встречаются при действии бензола значительно реже.
Не выяснен и механизм формирования лейкемии. Вероятными механизмами действия бензола могут быть мутации, возникающие либо в результате образования ДНК-аддуктов, либо хромосомной делеции или анеуплоидии вследствие нарушения процесса редубликации нитей ДНК и их распределения между дочерними клетками в процессе митоза. Строение бензола, его метаболитов и их химическая активность делают более вероятным второй механизм действия токсиканта. Так, в отличии от активных алкилирующих агентов бензол и его метаболиты не являются цикло-неспецифичными мутагенами или тератогенами. Не смотря на целенаправленные поиски, в клетках костного мозга отравленных не удалось обнаружить бензольных аддуктов ДНК. С другой стороны, установлена способность бензола блокировать клеточное деление на стадии G2/ М митоза, угнетая процесс формирования клеточного веретена (объясняют действием метаболитов бензола на сульфгидрильные группы тубулина).
У рабочих, хронически подвергающихся действию бензола, обнаружено увеличение числа хромосомных аберраций, в частности, количества анеуплоидных клеток.
7.2. 1,3-бутадиен
1,3-бутадиен — бесцветный газ, используемый в производстве резины. Ранние исследования, выполненные на экспериментальных животных, указывали на малую токсичность вещества как при остром, так и хроническом введении. Эпидемиологические исследования, выполненные в последние годы, напротив, установили очевидную причинно-следственную связь между хроническим воздействием токсиканта и нарушениями здоровья, в частности увеличением частоты новообразований. Сообщается о способности вещества инициировать лейкемии, однако только у лиц кратковременно контактирующих с бутадиеном.
В эксперименте показана высокая степень видовых различий в чувствительности животных к канцерогенному действию вещества. Крысы — относительно малочувствительный вид. Напротив, подострое действие токсиканта на мышей приводит к развитию мегалобластической анемии; хроническое воздействие — сопровождается увеличением более чем на 60% частоты случаев лимфоидной лейкемии в популяции подопытных мышей. В последние годы этот мощный эффект объясняют сочетанным действием бутадиена и ретровирусов, инфицирующих животных.
8.Выявление канцерогенной активности веществ
Вывод о канцерогенной активности того или иного вещества основывается на результатах двух видов исследований. Во-первых, это эксперименты на различных биологических объектах и лабораторных животных. Во-вторых — данные эпидемиологического обследования групп лиц, контактирующих или контактировавших с токсикантами.
8.1. Экспериментальная оценка
Экспериментальная оценка канцерогенной активности вещества — сложное многоэтапное исследование. Как правило, оно выполняется в опытах in vitro и in vivo в ходе подострого или хронического эксперимента на нескольких видах лабораторных животных (таблица 5).
Таблица 5. Протокол изучения канцерогенной активости вещества
| А. Оценка химического строения вещества Б. Исследования в опытах in vitro 1. Мутагенная активность (см. «Мутагенез»); 2. Влияние на процессы репарации ДНК; 3. Изучение клеточной трансформации. Оценка результатов и выбор условий дальнейшей работы В. Исследования в опытах in vivo: 1. Индукция опухолей кожи у мышей; 2. Индукция опухолей легких у мышей; 3. Индукция опухолей молочной железы у мышей; 4. Индукция опухолей других внутренних органов у грызунов; 5. Оценка действия промоторов. Оценка результатов и выбор условий дальнейшей работы Г. Хронические исследования на животных разных видов. Оценка результатов Общее заключение |
Исследование предполагает выявление мутагенной, тератогенной активности у веществ (см. соответствующие разделы), которые могут косвенно указывать на возможность его канцерогенности.
Изучение канцерогенной активности в хроническом эксперименте предполагает длительное (1,5 — 2 года) ввеение веществ лабраторным животным (грызуны, собаки, приматы и т.д.) с водой, пищей, ингалируемым воздухом. Испытываемые количества: 1,0 — 0,5 максимально переносимой дозы (МПД). Под максимально переносимой дозой понимают количество вещества, вызывающее не более чем 10% снижение веса животных (в сравнении с контролем), не вызывающее летальности в группе, клинических и патологических изменений, сокращающих среднюю продолжительность жизни. Животные содержатся в строго контролируемых условиях. Поскольку онкогенный потенциал химических веществ колеблется в очень широких пределах, большие требования предъявляют к чистоте исследуемых токсикантов. В случае наличия примесей, именно они, а не обследуемое вещество, могут стать причиной появления положительных результатов при тестировании.
Все погибшие за период исследований животные изучаются на предмет наличия опухолей. Часть животных, кроме того, умерщвляется через фиксированные интервалы времени (6, 12, 18 месяцев) для гистологических исследований органов и тканей. Все животные умерщвляются и обследуются по завершении эксперимента. Особое внимание уделяют изучению органов, чувствительность которых к токсиканту удалось выявить в ходе предварительных экспериментов. Большие трудности связаны с необходимостью получения статистически значимых различий частот спонтанного появления опухолей в контрольных группах и индуцированного роста, в группе получающих вещество животных. Как правило, для этого требуется включение в эксперимент большого числа животных. Обычно по 50 грызунов обоего пола в группе, т.е. минимум 300 животных: 50 самцов и 50 самок — 1,0 МПД; 50 самцов и 50 самок — 0,5 МПД и, соответственно, 100 животных в контроле. Нередко этого оказывается недостаточно, и результаты получаются малоубедительными, вызывющими сомнение. В таких ситуациях приходится либо значительно увеличивать число животных в группах сравнения, либо использовать в эксперименте более высокие дозы токсикантов.
В процессе работы оценивается видовая чувствительность к предполагаемому канцерогену, тип опухолевого роста, факторы, влияющие на канцерогенез (по возможности). Необходимо учитывать, что разные вещества могут вызвать образование опухоли одного и того же типа, и, напротив, одно и то же вещество может провоцировать развитие разных опухолей. При этом возможны 4 варианта эффектов:
— увеличение частоты «обычно» встречающихся опухолей;
— появление опухолей «нового» типа;
— новое сочетание опухолей;
— сокращение сроков развития опухоли.
Детальное описание методов выявления канцерогенной активности можно найти в специальной литературе.
Канцерогенная активность различных веществ, выявляемая в эксперименте, колеблется в широких пределах (рисунок 7).
Рисунок 7. Канцерогенная активность некоторых химических соединений
Все вещества, для которых показана способность вызывать опухоли у животных, рассматриваются как опасные и для челвека. Однако видовая чувствительность к канцерогенам выражена очень значительно. Можно считать доказанным, что:
— вещество, вызывающее опухоль у животных одного, двух и даже трёх видов, не обязательно канцерогенно для человека;
— зависимость «доза-эффект» (см. ниже), получаемая в ходе исследований на лабораторных животных, совсем не обязательно имеет аналогичные параметры для человека, отсюда и пороги безопасного действия токсикантов для животных и человека в строгом смысле могут быть разными;
— у животных канцерогены как увеличивают частоту возникновения опухолей, так и сокращают сроки их развития; у человека эти эффекты могут не воспроизводиться;
— органы-мишени для одного и того же канцерогена у лабораторного животного и человека могут быть различными.
С учетом сказанного становится понятным, почему канцерогены для животных автоматически не признаются канцерогенными для человека, и почему простая экстраполяция экспериментальных данных, полученных в опытах на животных, на человека невозможна.
8.2. Эпидемиологические исследования
Окончательное суждение о канцерогенности вещества для человека является результатом масштабных эпидемиологических исследований. Как правило, утверждение признается справедливым лишь при выполнении ряда условий:
— выявленное увеличение частоты новообразований в обследованной популяции не может быть объяснено действием случайных причин;
— аналогичные результаты получены в ходе нескольких независимых исследований;
— доказано, что частота появления опухолей изменяется при изменении дозы канцерогена и времени прошедшего от момента его воздействия.
Однако достаточно часто интерпретация получаемых результатов весьма затруднена целым рядом обстоятельств, таких как:
— мобильность человеческих популяций, что затрудняет верификацию факта воздействия потенциального канцерогена;
— продолжительность действия токсиканта и длительность скрытого периода. Латентный период злокачественных заболеваний крови у человека составляет 5 — 10 лет, тканей — 20 и более лет;
— изобилие личностных особенностей, влияющих на канцерогенез: курение, употребление различных препаратов, бытовые привычки (в том числе хобби) и др.;
— возможность работы на нескольких предприятиях;
— не всегда корректная документированность факта воздействия;
— дефекты диагностики опухолей;
— возможность действия на людей иных, не оцениваемых в исследовании факторов;
— возрастная зависимость патологии (более 60% раков встречаются у лиц старше 65 лет).
Вследствие сказанного, МАИР рекомендует относить данные, получаемые в ходе эпидемиологических исследований, к одной из следующих категорий:
— достаточные для утверждения, что канцерогенез является следствием воздействия конкретного этиологического фактора;
— ограниченно значимые для констатации канцерогенности ксенобиотика, так как в исследовании сомнителен контроль, не исключены возможные альтернативные объяснения выявленных эффектов;
— недостаточные для признания канцерогенности вещества, вследствие слабости проведенного исследования, либо отсутствия причинно-следственных связей между действующим фактором и частотой новообразований в обследуемой популяции.
Эпидемиологическое изучение канцерогенности вещества, действующего как профессиональный фактор или экополлютант должно строиться с учетом определенных принципов:
— учитываемые в исследовании случаи раков должны быть подтверждены документально на основании клинического или патологоанатомического материала;
— следует оговаривать сроки, в рамках которых оценивается частота возникновения новообразований в популяции. В группу регистрируемых, должны включаться лица, работавшие (проживавшие) в оцениваемый период времени в условиях, которые могут быть объективно охарактеризованы;
— выявленную частоту возникновения новообразований следует сравнивать с ожидаемой частотой. Эта характеристика может быть получена в административных структурах министерства здравоохранения, накапливающих информацию об онкологической заболеваемости населения. Сравнение должно быть стандартизовано по возрастным группам;
— после установления общей онкологической обстановки необходимо выяснить какие виды раков встречаются чаще в обследуемой популяции;
— анализ полученных данных необходимо проводить с учетом продолжительности скрытого периода в развитии опухоли. Если опухоль развилась спустя непродолжительное время после действия токсиканта, её развитие вероятно не связано с этим действием;
— в ходе обследования необходимо выявить возможность действия других факторов, влияющих на канцерогенез: курение, злоупотребление лекарствами, наследственную предрасположенность к новообразованиям, действие иных потенциальных канцерогенов и т.д.
— желатлен мониторинг окружающе среды, лбо информация о содержании вредных веществ на рабочем месте;
Конкретный метод установления причинно-следственных связей между действием оцениваемого фактора и развитием неопластических процессов выбирается в соответствии с общей методологией эпидемиологических исследований (см. раздел «Эпидемиологические методы исследования в токсикологии»).
9.Оценка риска химического канцерогенеза
9.1. Проблемы оценки риска
Принципиальная задача оценки риска химического канцерогенеза — установление его количественных характеристик для лиц, контактирующих с малыми дозами потенциальных канцерогенов. Как указывалось ранее, на современных производствах целый ряд веществ может быть отнесен к числу опасных. Постановка задачи обусловлена необходимостью стандартизовать допустимые уровни воздействия этих токсикантов, с учетом вероятности развития опухолей у работающих. В настоящее время постулируется тезис: «Ни одно вещество не может быть признано абсолютно безопасным даже в диапазоне действия малых доз и концентраций, если в ходе экспериментов, или иным образом, установлено, что оно вызывает рак у человека или животных» (концепция беспороговости действия). Так как в ходе эпидемиологических исследований не представляется возможным установить количественные параметры зависимости «доза-эффект», этим методом характеристики риска развития опухолей при различных дозовых нагрузках найдены быть не могут. В этой связи основным является экспериментальный подход к решению задачи. Однако, как указывалось ранее, и здесь получаемые результаты сложны для интерпретации.
Противоречие состоит в следующем. Исследователя интересуют количественные характеристики увеличения частоты опухолевого роста при длительном действии вещества в малых дозах, в которых он может действовать в реальных производственных, бытовых, экологических условиях. Однако поскольку при действии в малых концентрациях положительный (канцерогенный) эффект в эксперименте выявляется редко, для получения статистически достоверного результата требуется, либо ввести в опыт очень большое количество животных, что трудно выполнимо, либо изучать зависимость «доза-эффект» при высоких дозах токсиканта, а затем математическими методами экстраполировать полученный результат к малым дозам. Опыты с «большими» дозами токсикантов могут быть выполнены на относительно малом количестве животных (см. выше) и в ограниченные сроки. Однако этап экстраполяции требует математического аппарата, адекватно описывающего характер зависимости «доза-эффект» во всем диапазоне действующих доз. Существует ряд математических, статистических и других подходов к анализу экспериментально полученного фактического материала, позволяющих, в известной степени, преодолеть эту трудность.
9.2. Математические модели, описывающие зависимость доза — эффект
Вероятность обнаружения оухоли данного вида в обследуемой группе, не контактировавших с канцерогеном особей всегда выше нуля. Это связано с действием разнообразных факторов окружающей среды, провоцирующих опухолевый рост. Математическое моделирование призвано предсказать вероятность развития рака (р), как функцию дозы действующего токсиканта (d), с учетом этого обстоятельства. Наблюдаемыми и количественно оцениваемыми в ходе эксперимента эффектами могут быть смерть, потеря веса, число новообразований в группе. Непременными условиями моделирования являются:
— достаточное количество изученных доз (минимум четыре) и животных, протестированных на каждой дозе;
— учет «фоновых» значений оцениваемых параметров;
— математическая форма представления зависимости «доза-эффект»;
— адекватные методы оценки параметров модели.
Возможны два способа учета «фона» при изучении зависимости «доза-эффект»:
1. (Pd — P0)/(1 — P0) = F(d)
2. Pd = F(d + d0),
где: Р0 — фоновая вероятность (частота) развития новообразования; Pd — вероятность развития новообразования при воздействии токсиканта в дозе d; F(d) — кумулятивное распределение позитивных ответов (канцерогенез) в зависимости от действующей дозы.
В первом случае исходят из допущения, что ответ на воздействие определённой дозы не зависит от фоновой ответной реакции. Этот подход используют наиболее часто. Во втором случае принимается допущение, что вероятность развития эффекта есть следствие суммарного действия «фоновой» и действующей доз. Как правило, указанное различие в подходах к оценке не сказывается существенным образом на получаемых результатах, особенно при действии веществ в малых дозах.
Для экстраполяции результатов, получаемых в опытах с действием больших доз, к условиям воздействия токсиканта в малых дозах, применяются математические модели разных видов. Наиболее часто используют логнормальную модель и модель логит-преобразования. Первая имеет вид:
lg[ P/(1-P)] = a + b lgd ,
где а,b — параметры уравнения.
Вторая математическая модель имеет вид:
Y(P) = a + b lgd ,
где Y(P) — пробит, соответствующий частоте опухолей Р,
a,b — параметры уравнения.
Кроме указанных, используют и другие математические модели описания зависимости «доза-эффект» (таблица 5).
Таблица 5. Математические модели, описывающие зависимость «доза-эффект», применяемые для оценки риска химического канцерогенеза
| Математические модели |
| F(d)*= 1/(1 + e |
| F(d) = 1 — e— |
| F(d) = 1 — e-( F(d) = 1 — e-bd |
| F(d) = 1 — e— |
— b log d)b
d* d — доза токсиканта
8.3. Процедуры определения пороговых уровней риска
После экспериментального нахождения параметров зависимости «доза-эффект» в условиях действия больших доз канцерогена (коэффициентов а, b и т.д.) определение пороговых уровней риска химического канцерогенеза, как указывалось ранее, предполагает экстраполяцию полученных данных к малым дозам для определения вероятности появления новообразований в этом диапазоне дозовых нагрузок. Это осуществляется с помощью двух методических приёмов:
— на основе эмпирически найденных параметров принятой математической модели;
— линейной экстраполяции к малым дозам без учета математической модели зависимости «доза-эффект».
Процедура поиска параметров кривой зависимости «доза-эффект» аналогична для всех упомянутых ранее моделей. Преследуемая цель — получение максимального подобия эмпирически найденных результатов и теоретических представлений. Иными словами, осуществляется поиск аналитических параметров кривых, позволяющих наиболее корректно описать экспериментально полученные данные, при этом в ряде случаев приходится отказываться от выбранной изначально математической модели процесса.
Получив расчетную информацию о вероятной частоте формирования новообразований при низких, реально втречаюихся в практике, уовнях воздействия потенциального канцерогена, можно установит либо предельно допустимую концентрацию токсиканта (ПДК) по канцерогенному эффекту либо условно безопасную дозу токсиканта (УБД) (virtually safe dose — VSD) (см. раздел «Оценка риска действия токсиканта»).
Под ПДК канцерогенного вещества понимается такая его концентрация, при воздействии которой на персонал, работающий в контакте с этими веществами в течение всего периода трудовой деятельности, или на население, в течение всей жизни проживающего в районе расположения химического предприятия, гарантируется, с заданной высокой надежностью, отсутствие канцерогенных эффектов (которые можно было бы выявить современными методами эпидемиологических или экспериментальных исследований).
УБД представляет собой дозу токсиканта, при которой возможно лишь небольшое увеличение числа новообразований в сравнении с контролем. Обычно этот прирост принимается равным 10-5 — 10-8 (один дополнительный случай на 100 тысяч — 100 миллионов человек, подвергающихся воздействию).
Величина УБД не подлежит экспериментальной проверке. Её значение, в конечном итоге, определяется выбранной математической моделью.
Если количество канцерогена в окружающей среде существенно превышает величины ПДК или УБД можно говорить о высоком риске химического канцерогенеза в популяции. Степень риска тем выше, чем выше степень этого превышения.
Дополнительными подходами к процессу оценки риска канцерогенеза, являются учет времени между моментом действия токсиканта и развитием эффекта, а также фармакокинетических особенностей канцерогена. Учет временного фактора предполагает в ходе создания математической модели процесса рассматривать вероятность появления опухоли как функцию не только дозы, но и времени, прошедшего от момента действия. В зависимости от свойств канцерогенов, сроки развития опухолей могут быть существенно различными.
Значение фармакокинетических свойств препаратов обусловлено тем обстоятельством, что между вводимой дозой и содержанием в биологических средах, а следовательно и эффективностью действия, далеко не всегда существует линейная связь. Сопоставление получаемых эффектов (канцерогенез) с реально измеренным содержанием токсикантов в соответствующих органах и тканях, с учетом сроков их персистирования, позволяет уточнить значение ПДК и УБД.
Другое назначение фармакокинетического подхода к изучению канцерогенеза — корректное сопоставление результатов, получаемых на разных видах лабораторных животных и при разных способах аппликации токсиканта.
Постоянная ссылка на это сообщение: http://vitnik.ru/kancg.htm