Индивидуальная чувствительность к канцерогенам

«Канцерогены действуют на всех, а опухоли возникают лишь у некоторых. Почему?».

Это вопрос, который чаще всего задают на лекциях. В аудитории обязательно кто-либо вспомнит своего деда, который безнаказанно курил и пил до глубокой старости. То же и о вредном производстве: весь цех работает в одинаковых условиях, а опухоли поражают лишь некоторых.

Можно ли заранее узнать, кто чувствителен к канцерогенам, а кто устойчив?

Эту задачу, которая в онкологии обозначается как проблема индивидуальной чувствительности, долгое время даже не пытались решать.

Злокачественное превращение клетки – многостадийный процесс

Проясняться проблема стала сравнительно недавно, когда установили, что процесс канцерогенеза складывается из ряда этапов. На этих этапах клетки становятся независимыми от организма, так как они:

утрачивают чувствительность к сигналам прекращения деления,
начинают сами генерировать сигналы размножения,
в отличие от нормальных, могут делиться бесконечное число раз,
утрачивают нормальные функции и структуру, а также стабильность передачи наследственных свойств потомкам.

Вследствие этого опухоль составляют клетки, значительно различающиеся по своим свойствам. Такая разнородность клеточного состава позволяет ей выживать в самых разных условиях, в том числе и при химиотерапии.

Первичный эффект химических канцерогенов зависит от ферментных систем клетки

Условно эти системы можно разделить на две основные категории: способствующие канцерогенезу и препятствующие ему. Активность их наследуется по общим законам генетики и варьирует в широких пределах. Если у человека активны ферменты, способствующие канцерогенезу, и неактивны, препятствующие ему, то он особо чувствителен к канцерогенам. При обратном соотношении – высокоустойчив. Такие крайние варианты относительно редки. У большинства людей процессы активации и детоксикации относительно сбалансированы.

Рассмотрим с этой точки зрения один из наиболее частых механизмов злокачественного роста, вызываемого химическими канцерогенами (рис. а, б).

Рисунок а, б

Механизм злокачественного превращения клетки, вызываемого химическими канцерогенами

Большая часть канцерогенов попадает в организм человека в неактивной форме, в виде так называемых проканцерогенов. Активируются они ферментами, которые окисляют попадающие в клетку чужеродные вещества, чтобы те легче выводились из тканей. Работают ферменты метаболизма по типу конвейера, т.е. одни осуществляют первичное окисление, другие – дальнейшее, а третьи связывают окисленный продукт с какой-либо нейтрализующей молекулой (см. рис. а). Если соединение не обладает потенциальными канцерогенными свойствами, это происходит без вредных для клетки последствий. Проканцерогены же после окисления превращаются в активные производные, способные повреждать компоненты клетки, в том числе ДНК – хранитель наследственной информации. Точность передачи этой информации строго контролируется системами клетки, поскольку, как известно, изменение строения ДНК родительской клетки, приводит к необратимому изменению свойств дочерних клеток и их потомков.

Специальные механизмы распознают поврежденные участки ДНК и либо восстанавливают их, либо, если восстановление наследственного кода не возможно, дают клетке команду на самоуничтожение.

Иногда ферменты восстановления допускают небольшие ошибки или не полностью устраняют повреждение. В таком случае клетка может избежать гибели и дать начало потомству с измененными свойствами. Если пропущенный дефект касается участков ДНК, ответственных за нормальное размножение, это может стать первым шагом к злокачественному превращению (см. рис. б).

Индивидуальные различия активности ферментов метаболизма канцерогенов

С индивидуальными различиями в активности этих ферментов – их генетическим полиморфизмом – впервые столкнулись фармакологи при лечении гипертонии дебризохином. У некоторых больных обычные дозы этого препарата вызывали катастрофическое падение кровяного давления. Как выяснилось, такая гиперчувствительность была результатом наследственно низкого уровня активности фермента, разрушающего дебризохин. Впоследствии тот же эффект был обнаружен и при метаболизме других соединений.

Когда был измерен индивидуальный уровень ферментов, активирующих проканцерогены типа бенз(а)пирена, которые образуются при сгорании самых разных продуктов – от дров до табака и бензина, – выяснилось, что он различается до 80 раз.

Активность ферментов детоксикации канцерогенов также варьирует в широких пределах. Ароматические амины, вызывающие рак мочевого пузыря у работников анилинокрасочной промышленности, инактивируются ферментом N-ацетилтрансферазой-2. По его активности люди делятся на быстрый, медленный и промежуточный типы. На примере рабочих, экспонированных к этим канцерогенам, было показано, что у медленных «ацетиляторов» опухоли возникают почти в 10 раз чаще, чем у быстрых.

Эпидемиологические данные, полученные на больших выборках курильщиков, также хорошо иллюстрируют роль генетического полиморфизма ферментов в химическом канцерогенезе. У людей с высокой активностью ферментов, превращающих бенз(а)пирен в реактивное производное, и отсутствием детоксицирующих ферментов, риск возникновения рака легкого при курении даже умеренного количества сигарет повышен примерно в 9 раз. В то же время нулевой уровень фермента, активирующего другую группу канцерогенов табачного дыма – табакоспецифические нитрозамины, делает человека мало чувствительным к онкологическим последствиям курения.

В метаболизме канцерогенов наиболее активно участвуют несколько ферментов, большинство из которых относится к группе цитохрома Р-450. Как уже упоминалось, эти ферменты окисляют не только канцерогены, но и другие соединения, относительно безвредные для организма. Изучая метаболизм такого рода «модельных» соединений, можно получить представление об активности того или иного фермента. Например, канцерогенные нитрозамины табака окисляются теми же ферментами, что и дебризохин, а канцерогенные афлатоксины – теми же, что и кофеин. В качестве модельного соединения для изучения метаболизма полициклических ароматических углеводородов, к которым относится бенз(а)пирен, предлагается антипирин.

Модельные соединения относительно безвредны, поэтому их можно вводить в организм, а затем в крови, слюне, желудочном соке или моче определять содержание продуктов метаболизма. Содержание активных и неактивных метаболитов канцерогенов в жидкостях и тканях можно изучать и непосредственно, если речь идет о курильщиках или работниках, профессионально имеющих дело с канцерогенами. У остальных это можно делать на клетках, выращиваемых вне организма, например, на клетках крови.

Генетический полиморфизм ферментов восстановления ДНК.

Реактивные метаболиты проканцерогенов, образовавшиеся в процессе метаболизма, способны прочно связываться с участками молекулы ДНК, образуя так называемые аддукты, нарушающие ее нормальную структуру и функции. Количество аддуктов в той или иной ткани и длительность их существования могут служить одним из показателей индивидуальной чувствительности к канцерогенам. Так, наиболее высокий уровень аддуктов канцерогенов из табачного дыма обнаруживается в лимфоцитах и легочной ткани больных, у которых опухоль возникла при коротком стаже курения. У курящих женщин уровень аддуктов более высокий, чем у мужчин, и это соответствует предварительным эпидемиологическим наблюдениям о большей чувствительности женщин к канцерогенному действию табачного дыма. Индивидуальные различия здесь таковы, что разница в уровне аддуктов бенз(а)пирена с ДНК в бронхиальной ткани может достигать 75 раз, в стенке мочевого пузыря – 70 раз, в пищеводе – 100 раз.

Наблюдение над уровнем аддуктов ДНК у работников онкологически опасных профессий важно как для прогноза риска заболевания, так и для контроля соблюдения ими техники безопасности. В частности, у медсестер, занятых введением химиопрепаратов онкологическим больным, наблюдались большие различия в уровне аддуктов в лимфоцитах в зависимости от аккуратности работы.

Активность систем распознавания аддуктов, их удаления и восстановления первичной структуры ДНК значительно варьируют. Крайние формы известны в качестве наследственных заболеваний. Например, при пигментной ксеродерме клетки кожи не могут восстанавливать ДНК, поврежденную не только канцерогенами, но и обычным ультрафиолетовым излучением. У таких больных солнечный свет вызывает рак кожи. В то же время было показано, что и у нормальных доноров способность ДНК лейкоцитов к репарации после воздействия ультрафиолета различается не менее, чем в 5 раз.

Индивидуальные особенности систем репарации ДНК в лимфоцитах отражают способность любых клеток данного организма восстанавливать ДНК. Поэтому лимфоциты, которые можно брать из крови легко и многократно, являются хорошим объектом для изучения индивидуальной чувствительности к канцерогенам. В частности, показана хорошая количественная корреляция между уровнем аддуктов в ДНК лимфоцитов и клеток других органов, трудно доступных для исследования – легкого у курильщиков, мочевыводящих путей у работающих с бензидином, печени и легких у работающих с канцерогенными полициклическими углеводородами.

Кроме того, на лимфоцитах можно изучать и последствия повреждения ДНК на уровне хромосом, т.е. выявлять под микроскопом нарушения их структуры. Качественный и количественный состав этих нарушений – число микроядер, хромосомных перестроек, сестринских хроматидных обменов и т.д. может дать представление об эффективности действии канцерогена на клетки данного организма.

Наследственные дефекты в генах, контролирующих клеточное размножение

Наследственные заболевания, предрасполагающие к канцерогенезу, касаются не только репарации ДНК. Наиболее четко предрасположенность к злокачественному росту проявляется у лиц с измененной структурой регуляторных генов – протоонкогенов и генов-супрессоров (антионкогенов), а также генов-мутаторов.

В норме протоонкогены участвуют во многих основных процессах, главными из которых являются регуляция клеточного цикла, роста и дифференцировки клеток. Нарушение структуры этих генов, повышающее продукцию их белков, приводит к неконтролируемому размножению клеток и их атипичному росту. Такой же эффект вызывают и мутации, отменяющие функции антионкогенов. Нарушение структуры генов-мутаторов увеличивает общую частоту мутирования.

Для людей с врожденными дефектами этих генов обычные условия жизни являются непереносимыми, поскольку даже фоновый уровень канцерогенных воздействий вызывает у них опухолевый рост. Насколько увеличивается при этом вероятность злокачественного превращения, лучше всего видно на примере ретинобластомы у детей с врожденной мутацией в гене-супрессоре Rb. Работа этого гена, регулирующего часть клеточного цикла, прекращается, если мутации инактивируют оба его аллеля. У детей, унаследовавших мутантный аллель от одного из родителей, злокачественная опухоль сетчатки развивается в том случае, если и второй аллель инактивируется мутацией в результате какого-либо внешнего воздействия. У таких детей опухоли возникают с частотой до 90%, в то время как у детей с нормальной наследственностью эта опухоль возникает в 30 000 раз реже. Иными словами, вероятность возникновения мутации в одном аллеле в 30000 выше, чем в обоих нормальных аллелях одного и того же гена одной и той же клетки. Если в результате хирургического лечения такие дети выживают, то у них развиваются опухоли другой локализации.

Помимо приведенных, существует ряд других факторов, которые влияют на чувствительность к канцерогенам и также значительно варьируют. Так как в силу генетического полиморфизма факторы, определяющие звенья канцерогенеза, не зависят друг от друга и могут комбинироваться самым различным образом, канцерогенный риск в каждом конкретном случае определяется многими переменными. Это сочетание баланса активации/детоксикации проканцерогенов с различной эффективностью работы ферментов восстановления ДНК, наследственными особенностями генов, регулирующих размножение клеток, иммунный статус организма и т.д.

Все это делает индивидуальный прогноз чувствительности к канцерогенам весьма сложной задачей, решение которой должно стать делом ближайшего будущего, поскольку основные составляющие этого процесса известны.

Г.А. Белицкий, профессор