Введение
Метилхолантрен – это высококанцерогенный полициклический ароматический углеводород, образующийся при сжигании органических соединений при очень высоких температурах. Метилхолантрен также известен как 3-метилхолантрен, 20-метилхолантрен или по систематическому названию IUPAC – 3-метил-1,2-дигидробензо[j]ацеантрилен. Часто используется сокращенное обозначение 3 MC или MCA. Это соединение образует бледно-желтые твердые кристаллы при кристаллизации из бензола и эфира. Температура его плавления составляет около 180 °C, а температура кипения – около 280 °C при давлении 80 мм рт. ст. Метилхолантрен используется в лабораторных исследованиях химического канцерогенеза. Это алкилированное производное бензо[a]антрацена, обладающее схожим УФ-спектром. Наиболее распространенным изомером является 3-метилхолантрен, хотя метильная группа может находиться и в других положениях. 3-Метилхолантрен, известный канцероген, накапливающийся в предстательной железе в результате распада холестерина, связан с развитием рака простаты. Он "легко вызывает" образование первичных сарком у мышей.
История
В 1933 году была опубликована первая статья о метилхолантрене, в которой описывался синтез этого соединения. Вскоре стало ясно, что это соединение обладает токсичными свойствами для человека и животных. Это вызвало значительный интерес к метилхолантрену, и он часто использовался в токсикологических исследованиях. Метилхолантрен часто тестируют на мышах и крысах для получения данных, необходимых для разработки лекарств от рака. Влияние соединения на центральную нервную систему позволяет сравнивать его реакции и изменения в них. Также известно, что метилхолантрен вызывает развитие раковых клеток из-за генетических мутаций. В 1982 году вышла последняя статья, посвященная синтезу метилхолантрена, в которой была достигнута урожайность 93%. В связи с этим дальнейшие изменения в схеме синтеза не потребовались.
Синтез
Первые 3 МК были синтезированы с использованием эталонного метода. Впоследствии синтез соединения был усовершенствован. Синтез 3 МК состоит из нескольких этапов, представленных на рисунке 1; первый этап является ключевым для успешного синтеза. 4-метилинданон (1) вступает в реакцию конденсации с литиевой солью N,N-диэтил-1-нафтамида (2). При 60 ̊C реакция между 1 и 2 приводит к образованию лактона (3) с равномерным выходом, который является продуктом присоединения по карбонильной группе и преобразуется при обработке кислотой. Свободная кислота (4) была получена в результате редуктивного расщепления последнего соединения цинком и щелочью. Циклизация продукта происходит при обработке ZnCl2 в уксусном ангидриде, что приводит к образованию 6-ацетокси-3 МК (5). Восстановление этого продукта гидриодной кислотой в пропионовой кислоте дает 3 МК.
Механизм
3 MC обладает ингибирующей функцией в процессе деметилирования диметилнитрозамина в печени крыс. Ингибирование может происходить за счет вмешательства в конформацию деметилазы или вмешательства в синтез и/или деградацию деметилазы. Эксперименты показали, что Km не изменяется после обработки 3 MC. Это убедительно свидетельствует о том, что аффинность фермента не подвергается влиянию 3 MC. Вместо этого инкубация с 3 MC приводит к снижению количества активного фермента. Эти результаты указывают на ингибирование синтеза деметилазы и/или индукцию ее деградации. Неопубликованные наблюдения Венкатесана, Аргуса и Аркоса позволяют предположить, что наиболее вероятным является ингибирование синтеза деметилазы. Возможный механизм этой реакции изображен на рисунке 2. 3 MC метаболизируется посредством эпоксидации, гидролиза и последующей эпоксидации, образуя высокореактивный эпоксид. Эпоксидации осуществляются ферментом цитохром P450. Второй эпоксид не гидролизуется немедленно, поскольку он локализован вблизи залива, который защищает эпоксид. Таким образом, метаболит способен перемещаться и связываться с ДНК, как показано на рисунке 2. Механизм основан на механизме связывания бензо[a]пирена с ДНК. Это вероятно, поскольку существует вероятность, что два полициклических ароматических углеводорода метаболизируются по одному и тому же пути. В рисунке используется дезоксигуанозин, поскольку именно эта основа связывается с бензо[a]пиреном значительно чаще, чем другие основания. Наблюдается равновесие между свободной и связанной формами 3 MC. Установить, как и когда формируется это равновесие, затруднительно из-за сложностей с радиоактивными измерениями. Предполагаемая насыщающая доза составляет около 40 мг 3 MC/кг. Исследования влияния 3 MC на матку крыс показали, что 3 MC действует как антагонист эстрогена. Половые гормоны, как и 3 MC, являются полициклическими ароматическими углеводородами. 3 MC и эстроген конкурируют за связывание с эстрогеновыми рецепторами, снижая экспрессию эстрогена.
Метаболизм
МК метаболизируется микросомами печени крыс в кислородсодержащие формы, которые алкилируют ДНК. Эти кислородсодержащие метаболиты связываются как с двуцепочечной, так и с одноцепочечной ДНК. Эмпирические данные показывают, что МК преимущественно связывается с гуаниновыми основаниями8. При введении в ткани легких, почек или печени крыс, печень, по-видимому, способна обращать связывание МК с ДНК. Ткани легких и почек не обладают этой способностью, что может объяснять, почему МК проявляет более выраженные канцерогенные свойства в легких и почках, чем в печени. Для проявления канцерогенного эффекта метаболит МК должен ковалентно связываться с ДНК. Следовательно, для канцерогенного действия МК необходимо его окисление. Jin et al. (2013) обнаружили, что острое воздействие 3 МК изменяет клеточный окислительно-восстановительный баланс, что приводит к активации сигнального пути, регулируемого ядерным фактором эритроид-2-подобным фактором 2 (Nrf2), и индукции антиоксидантных реакций.
Токсичность
3 MC является лигандом арильного углеводородного рецептора (AhR), который стимулирует транскрипцию, направляемую ксенобиотическими элементами ответа. Лиганды AhR могут индуцировать образование комплекса AhR с эстрогеновым рецептором (ER). Было установлено, что 3 MC проявляет эстрогенную активность посредством этого механизма, а также за счет стимуляции экспрессии некоторых эндогенных генов-мишеней ER. 3 MC может вызывать раздражение дыхательных путей, кожи или глаз.
Влияние на человека
3 MC мутагенен для клеток человека. Куррен и соавторы (1978) первыми сообщили об успешном индуцировании мутаций в клетках человека под воздействием 3 MC. Считается, что эпителиальные клетки кожи метаболизируют это соединение в мутагенные продукты. Способность метаболизировать мутагены может отражать генетически обусловленные различия внутри вида, например, у человека или мыши, что приводит к различной степени мутагенности и канцерогенности химических веществ окружающей среды для разных индивидуумов.
Исследования токсичности для нелюдей
Применение 3 MC беременным мышам приводит к образованию опухолей легких у потомства. Миллер и др. (1990) сравнили эффекты воздействия 3 MC на плод и взрослых особей в отношении индукции активности арильного углеводородного гидроксилазы (AHH) в легких и зависимости опухолеобразования в легких от генотипа Ah. Однократная внутрибрюшинная инъекция (в индукционных супернатантах легких плода) 100 мг/кг 3 MC самкам привела к максимальной 50-кратной индукции активности AHH через 8 часов, которая сохранялась в течение 48 часов. Те же инъекции взрослым мышам F1 вызвали лишь 4–7-кратное увеличение активности AHH в легких по сравнению с высокой степенью индукции у плода.