Введение

Генотоксичность – это свойство химических агентов повреждать генетическую информацию в клетке, вызывая мутации, которые могут привести к раку. Хотя генотоксичность часто путают с мутагенностью, все мутагены генотоксичны, но некоторые генотоксичные вещества не являются мутагенными. Изменение может оказывать прямое или косвенное воздействие на ДНК: индуцировать мутации, приводить к преждевременной активации процессов или непосредственно повреждать ДНК, что в итоге вызывает мутации. Эти постоянные, наследственные изменения могут затрагивать как соматические клетки организма, так и половые клетки, передаваясь будущим поколениям. Клетки предотвращают проявление генотоксичных мутаций посредством репарации ДНК или апоптоза; однако повреждение не всегда удается устранить, что приводит к мутагенезу. Для выявления генотоксичных молекул исследователи анализируют повреждения ДНК в клетках, подвергшихся воздействию токсичных веществ. Эти повреждения ДНК могут проявляться в виде одно- и двухнитевых разрывов, нарушения эксцизионной репарации, перекрестных сшивок, щелочно-лабильных участков, точечных мутаций, а также структурных и числовых хромосомных аберраций. Нарушение целостности генетического материала известно как причина развития рака. В связи с этим, для оценки потенциала химических веществ вызывать повреждение ДНК, которое может привести к раку, были разработаны различные сложные методы, включая тест Эймса, токсикологические тесты in vitro и in vivo, а также тест «комета».

Механизм

Генотоксичные вещества вызывают повреждение генетического материала в клетках посредством взаимодействия с последовательностью и структурой ДНК. Например, переходный металл хром взаимодействует с ДНК в состоянии высокой валентности, вызывая повреждения ДНК, которые приводят к канцерогенезу. Метастабильное состояние окисления Cr(V) достигается посредством редуктивной активации. Исследователи провели эксперимент для изучения взаимодействия ДНК с канцерогенным хромом, используя Cr(V) Salen комплекс в специфическом состоянии окисления. Взаимодействие было специфичным для нуклеотида гуанина в генетической последовательности. Чтобы сузить взаимодействие между Cr(V) Salen комплексом и основанием гуанина, исследователи модифицировали основания до 8-оксо-G, чтобы обеспечить сайт-специфическое окисление. Реакция между двумя молекулами вызвала повреждения ДНК; два наблюдаемых повреждения в модифицированном участке основания были гуанидиногидантоином и спироиминодигидантоином. Для дальнейшего анализа места повреждения было обнаружено, что полимераза останавливалась в этом месте, а аденин неправильно включался в последовательность ДНК напротив 8-оксо-G основания. Следовательно, эти повреждения преимущественно содержат G > T трансверсии. Высоковалентный хром рассматривается как канцероген, поскольку исследователи обнаружили, что "механизм повреждения и продукты окисления оснований при взаимодействии высоковалентного хрома с ДНК имеют отношение к образованию повреждений ДНК in vivo, приводящих к раку у людей, подвергающихся воздействию хроматов". Наиболее распространенными мутациями в генах являются G:C > T:A трансверсии и тандемные замены оснований. Пирролизидиновые алкалоиды являются мутагенными in vivo и in vitro и, следовательно, ответственны за канцерогенез, особенно в печени.

Методы испытаний

Целью генотоксикологических исследований является определение того, оказывает ли вещество влияние на генетический материал или может ли оно вызывать рак. Такие исследования могут проводиться на бактериях, дрожжах и клетках млекопитающих.

in vitro токсикологическое исследование

Цель исследований in vitro – определить, вызывает ли субстрат, продукт или фактор окружающей среды генетические повреждения. Один из методов предполагает проведение цитогенетических тестов с использованием различных клеток млекопитающих.

in vivo испытания

Целью проведения исследований in vivo является определение потенциала повреждения ДНК, которое может повлиять на структуру хромосом или нарушить работу митотического аппарата, приводя к изменению числа хромосом; факторами, способными влиять на генотоксичность, являются ADME и механизмы репарации ДНК. Также это позволяет выявить генотоксические агенты, которые не были обнаружены в тестах in vitro. Положительным результатом индуцированного повреждения хромосом является увеличение частоты образования микронуклеированных клеток ПЦЭ.

Рак

Генотоксические эффекты, такие как делеции, разрывы и/или перестройки, могут приводить к раку, если повреждение не вызывает немедленной гибели клеток. Регионы, чувствительные к повреждениям, называемые хрупкими участками, могут быть вызваны генотоксическими агентами (например, пестицидами). Некоторые химические вещества способны индуцировать хрупкие участки в областях хромосомы, где расположены онкогены, что может приводить к канцерогенным эффектам. В соответствии с этим, профессиональное воздействие определенных смесей пестицидов положительно коррелирует с увеличением генотоксического повреждения у подвергшихся воздействию. Повреждение ДНК не является однородным по степени тяжести в разных популяциях, поскольку люди различаются по способности активировать или детоксифицировать генотоксические вещества, что приводит к вариабельности заболеваемости раком. Различия в способности к детоксикации определенных соединений обусловлены унаследованными полиморфизмами генов, участвующих в метаболизме этих веществ. Различия также могут быть связаны с индивидуальными различиями в эффективности механизмов репарации ДНК.

Метаболизм некоторых химических веществ приводит к образованию реактивных форм кислорода (РФК), что является возможным механизмом генотоксичности. Это наблюдается в метаболизме мышьяка, который образует гидроксильные радикалы, известные своей способностью вызывать генотоксические эффекты. Аналогично, РФК были вовлечены в генотоксичность, вызванную частицами и волокнами. Генотоксичность как нефиброзных, так и фиброзных частиц характеризуется высоким уровнем продукции РФК воспалительными клетками.

Генотоксины, связанные с четырьмя наиболее распространенными видами рака во всем мире

Были выявлены основные генотоксические агенты, ответственные за четыре наиболее распространенных вида рака во всем мире (легких, молочной железы, толстой кишки и желудка). Рак легких является наиболее часто встречающимся видом рака в мире, как по количеству ежегодных случаев заболевания (1,61 миллиона случаев; 12,7% всех случаев рака), так и по смертности (1,38 миллиона смертей; 18,2% всех смертей от рака). Табачный дым является основной причиной рака легких. Оценки риска рака легких указывают на то, что табачный дым ответственен за 90% случаев рака легких в Соединенных Штатах. Табачный дым содержит более 5300 идентифицированных химических веществ. Наиболее значимые канцерогены в табачном дыме были определены с использованием подхода "Предел воздействия". При этом подходе опухолегенные соединения в табачном дыме, в порядке убывания значимости, включали акролеин, формальдегид, акрилонитрил, 1,3-бутадиен, кадмий, ацетальдегид, этиленоксид и изопрен. В целом, эти соединения генотоксичны и вызывают повреждение ДНК. В качестве примеров, сообщалось о ДНК-повреждающем действии акролеина, формальдегида и акрилонитрила. Рак молочной железы является вторым по частоте заболеванием во всем мире на ежегодной основе (1,38 миллиона случаев, 10,9% всех случаев рака), и занимает 5-е место среди причин смерти (458 000, 6,1% всех смертей от рака). Эстроген, вероятно, способствует канцерогенезу молочной железы посредством следующих трех процессов: (1) метаболического превращения эстрогена в генотоксичные, мутагенные канцерогены, (2) стимуляции роста тканей и (3) подавления ферментов детоксикации II фазы, которые метаболизируют генотоксичные реактивные формы кислорода, что приводит к увеличению окислительного повреждения ДНК. Основной человеческий эстроген, эстрадиол, может метаболизироваться в хиноновые производные, которые образуют аддукты с ДНК. Эти производные могут вызывать удаление оснований из фосфодиэфирной цепи ДНК (например, депуринизацию). Это удаление может сопровождаться неточным восстановлением или репликацией апуринического участка, что приводит к мутации и, в конечном итоге, к раку. Колоректальный рак является третьим по распространенности видом рака во всем мире (1,23 миллиона случаев, 9,7% всех случаев рака, 608 000 смертей, 8,0% всех смертей от рака). Кроме того, существенные доказательства указывают на то, что желчные кислоты играют важную генотоксическую роль в развитии рака толстой кишки. В частности, желчная кислота дезоксихолевая кислота вызывает образование ДНК-повреждающих реактивных форм кислорода в эпителиальных клетках толстой кишки человека и грызунов. Реактивные формы кислорода вызывают окислительное повреждение ДНК, включая основное изменение основания 8-оксо-2'-дезоксигуанозин. В недавнем ретроспективном исследовании было обнаружено, что применение секвестранта желчных кислот связано со значительным снижением риска рака желудка, что позволяет предположить, что желчные кислоты могут быть фактором, способствующим развитию рака желудка.

Генотоксическая химиотерапия

Генотоксическая химиотерапия – это лечение рака с использованием одного или нескольких генотоксических препаратов. Лечение традиционно входит в состав стандартного режима. Используя деструктивные свойства генотоксинов, лечение направлено на индуцирование повреждений ДНК в раковых клетках. Любое повреждение, нанесенное раковым клеткам, передается их дочерним клеткам при дальнейшем размножении. Если это повреждение достаточно велико, оно приведет к апоптозу клеток.

Риски

Недостатком лечения является то, что многие генотоксические препараты эффективны как в отношении раковых, так и нормальных клеток. Селективность действия конкретного препарата определяется чувствительностью самих клеток. Таким образом, хотя быстро делящиеся раковые клетки особенно чувствительны к многим видам лечения, часто страдают и нормально функционирующие клетки. Исследования людей с генетическими дефектами в путях репарации ДНК показали, что их почки особенно уязвимы к повреждениям ДНК, таким как межцепочечные сшивки ДНК, разрывы ДНК и повреждения, блокирующие транскрипцию.