Генетическая токсикология

Генетическая
токсикология
Генетически активные факторы
окружающей среды
Влияние эффектов окружающей среды
на генотип организма
 Генетически
активные
факторы
делятся на
физические,
химические и
биологические.
Открытие химического мутагенеза
 В 1946г. были опубликованы
результаты исследований,
доказывающих способность
химических соединений
индуцировать мутации.
 Ш.Ауэрбах и Дж.Робсон
показали это на примере
азотистого иприта
(горчичный газ).
 И.Рапопорт – на примере
формальдегида и
этиленимина
 С тех пор было обнаружено множество
химических соединений, способных вызывать в
ДНК разного рода нарушения:
1) ковалентные сшивки двух близко
расположенных оснований;
2) ковалентное связывание азотистых оснований с
алифатическими и ароматическими радикалами;
3) химические перестройки азотистых оснований
(дезаминирование, нарушение кольцевой
структуры, полная элиминация);
4) нарушение сахарофосфатного каркаса
полинуклеотида.
Основные особенности химического
мутагенеза:
 Зависимость от дозы и продолжительности обработки;
 Более высокая частота генных мутаций по сравнению с





хромосомными перестройками;
Задержанный мутагенез (проявление мутации через ряд
клеточных поколений);
Специфичность при действии на хромосомном уровне
(большая поражаемость гетерохроматина);
Специфичность действия на уровне генов (одни гены
мутируют чаще других);
Неаддитивность
эффекта
при
комбинированном
воздействии разными мутагенами;
Канцерогенность и тератогенность большинства химических
мутагенов.
Мутагены химической природы
 Многие химические соединения, встречающиеся в
окружающей среде, обладают способностью
взаимодействовать
с
ДНК
или
с
ее
низкомолекулярными
предшественниками
и
вызывать мутации.
 Некоторые
вещества изначально являются
реакционноспособными
мутагенами,
непосредственно соединяющимися с ДНК и
изменяющими ее химическую структуру.
 другие, так называемые промутагены, для
превращения
в
мутагены
претерпевают
метаболическую активацию под действием
ферментативных систем организма.
Мутагены химической природы
 Например,
распространенные
соли
азотной кислоты легко превращаются в
нитриты (соли азотистой кислоты) мутагены, дезаминирующие основания
ДНК.
В
кислой
среде
желудка
млекопитающих
нитриты
и
аминосоединения
дают
нитрозосоединения
супермутагены,
нарушающие репликацию ДНК.
Еще пример:
 немутагeнный 1,2-бензопирен (бен-зо[а]пирен) в
организме окисляется до 7,8-дигидрокси-9,10эпокси-7,8,9,10-тетрагидро-1,2-бензопирена, один
из стереоизомеров которого обладает
мутагенной, а также канцерогенной активностью:
Распространенность химических
мутагенов
 Человек в своей повседневной деятельности сталкивается с
множеством химических веществ, используемых в огромном
количестве в промышленности, сельском хозяйстве,
медицине и в быту.
 Мутагены обнаружены среди лекарств, косметических
средств, химических веществ, применяемых в сельском
хозяйстве, промышленности…; перечень их постоянно
пополняется.
 Сейчас известно около 7-8 млн. различных химических
соединений. В хозяйстве, на производстве, быту постоянно
применяются примерно 60-70 тысяч химических веществ и
ежегодно внедряются в практику свыше 1000 новых
соединений.
 Свыше 7000 химических соединений обладают мутагенной
активностью.
Вещества, применяемые в
промышленности
 Астбест, ацетальдегид,
бензол, винилхлорид,
диметилсульфат,
триметилфосфат,
бензопирен и его
производные, металлы
(медь, никель, свинец,
ваннадий, кадмий, ртуть,
хром), мышьяк, стирол,
формальдегид, хлоропрен,
эпихлоргидрин….
Мономер винилхлорида
 бесцветный газ со слабым
сладковатым запахом,
представляющий собой
простейшее хлорпроизводное
этилена.
 Промышленное производство
винилхлорида входит в первую
десятку производства крупнейших
многотоннажных продуктов
основного органического синтеза;
при этом почти весь
производимый объём
используется для дальнейшего
синтеза полихлорвинила (ПВХ),
мономером которого и является
винилхлорид.
Мономер винилхлорида
 вызывает мутации у различных тест-организмов.
Мутагеном является не сам винилхлорид, а его
метаболиты, в первую очередь, хлорэтиленоксид.
Последний обладает сильнейшими мутагенными
и канцерогенными свойствами для
млекопитающих.
 В многочисленных исследованиях групп рабочих
по производству винилхлорида выявлены
значимые мутагенные эффекты [Fucić A, Horvat D, Dimitrović B.
Mutagenicity of vinyl chloride in man: comparison of chromosome aberrations with
micronucleus and sister-chromatid exchange frequencies. Mutat Res. 1990 Dec;242(4):26570].
Эпихлоргидрин
 (1-хлор-2,3-
эпоксипропан,
хлорметилоксиран),
бесцветная жидкость с
резким неприятным
запахом.
 широко используется
в производстве
эпоксидных смол,
лекарств и является
мутагеном для ряда
тест-организмов.
C3H5ClO
Эпихлоргидрин
 Цитогенетическое обследование рабочих,
имеющих профессиональный контакт с
эпихлоргидрином, выявило повышение
частоты аберраций хромосом по
сравнению с контролем (Kuĉerova et al., 1976, 1977).
Частота аберраций возрастала с
увеличением стажа работы с
эпихлоргидрином, а также с повышением
уровня его содержания в воздухе рабочих
помещений.
 Мутагенной активностью обладает
стирол, использующийся в производстве
полиэфирных пластмасс (Anwar W.A., Shamy
M.Y. Chromosomal aberrations and micronuclei in reinforced
plastics workers exposed to styrene. Mutat. Res. Fund. and Mol.
Mech. Mutagen.- 1995. - 327, N 1-2. - 41-47.).
 хлорпрен, применяемый в производстве
полихлорпреновых эластомеров,
каучуков (Саноцкий, Фоменко, 1979; Журков, 1988).
Бензол
 При генетическом
обследовании в условиях
некоторых производств
возможно выделить
основной действующий
фактор и оценить степень
генетической опасности
контакта с ним.
 К числу хорошо изученных
химических агентов,
вызывающих
цитогенетические эффекты
в условиях производства
относится бензол.
Бензол
 Экспериментальные
данные
свидетельствуют о
генотоксическом
воздействии бензола
на рабочих, занятых в
обувной
промышленности
(Karacic et al., 1995), у
работников
нефтехимического
предприятия (Миркова и
др., 1994)
Тяжелые металлы
 Большое количество исследований посвящено
изучению мутагенной активности тяжелых и ряда
других металлов, содержание которых в воздухе
на территории предприятий, промышленных
городов,
достигает
критического
уровня.
Установлена мутагенная активность соединений
свинца, цинка, ртути, хрома и других металлов.
 Соединения
6-валентного хрома вызывают
мутации
во
многих
прокариотических
и
эукариотических тест-системах как in vivo, так и in
vitro.
Тяжелые металлы
 В условиях промышленного производства
установлено мутагенное действие свинца
(Carla Campa et al., 1993); ртути (Franchi et al., 1994); меди
(Петров, Величковский, 2001); 6-валентного хрома
(Бигалиев и др., 1977); молибдена (Бабаян и др., 1980).
 Показано также, что тяжелые металлы
кроме собственной мутагенной активности
обладают свойством повышать
мутагенность других факторов среды (Бочков,
Катосова, 1994).
 Производственные условия на многих
предприятиях характеризуются воздействием
на организм рабочих целого комплекса
неблагоприятных факторов.
 Например, было показано, что присутствие в
воздушной среде металлургического завода
пыли сложного состава, содержащей оксиды
таких тяжелых металлов, как марганец, хром,
никель, свинец, медь, в условиях повышенной
температуры
воздуха
и
интенсивного
инфракрасного излучения
обусловливают
достоверное
повышение
частоты
хромосомных мутаций (Седова, 1989).
Производство кокса
 Основные загрязнители:
полициклические
ароматические углеводороды
(ПАУ), которые присутствуют
в воздухе совместно с
бензолом, аммиаком,
фенолом, сероводородом и
цианидами. Этот комплекс
поллютантов в сочетании с
действием физических
факторов (перепад
температур, шум, вибрация,
пыль) вызывает
неблагоприятные
последствия для рабочих
коксохимических заводов
(Капитульский и др., 1987; Косой,
Хесина, 1990).
Частота аберрантных метафаз
Уровень хромосомных аберраций у работников
промышленных предприятий Кузбасса
7
6
5
4
контроль
3
рабочие
2
1
0
КХЗ
НкАЗ
СГОК
КХЗ – кемеровский коксохимический завод; НкАЗ – новокузнецкий алюминиевый
завод; СГОК – салаирский горно-обогатительный комбинат
 Промышленные мутагенные загрязнители
могут представлять опасность не только для
лиц, профессионально контактирующих с
ними, но и для людей, проживающих в
районах источников этих вредностей. И если
в условиях производств негативному
воздействию мутагенов и канцерогенов
подвержены десятки и сотни тысяч людей, то
во втором случае аналогичному, хотя и менее
интенсивному прессингу мутагенов,
подвержены многие миллионы жителей
промышленных регионов.
 Специфический для каждого населенного
пункта спектр поллютантов определяется
характером промышленного производства,
интенсивностью транспортного движения,
использованием сельскохозяйственных
ядохимикатов и, вероятно, некоторыми
другими факторами, обусловленными
климато-географическими особенностями:
температурным режимом, розой ветров,
атмосферными осадками, наличием
загрязнений в грунтовых и поверхностных
почвах, радиационным фоном.
Кемерово
из http://fotki.yandex.ru/users/kurtun2/view/92459/
Частота мутаций хромосом у жителей крупных
промышленных городов и в группе базисного контроля
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Базисный
контроль
Новокузнецк
Кемерово
Частота
аберрантных
метафаз, %
Вещества, применяемые в сельском
хозяйстве
 Смеси дефолиантов,
пестицидов, инсектицидов,
репеллентов, фунгицидов.
 Отдельные вещества: ДДТ,
фталафос, хлорофос,
гардона, валексон,
карбоматы, севин,
малеиновый гидразид,
малатион, трихлофон,
метилпаратион,
диметилацетамид, каптан,
фолпет….
Пестициды
 Интенсивная химизация сельского хозяйства привела к
повышению урожайности и одновременно к загрязнению
окружающей среды пестицидами и другими химическими
соединениями.
 Анализ результатов изучения генетической активности
ядохимикатов показал, что многие из них являются
мутагенами. Из 400 изученных пестицидов 262 вещества
(65%) показали мутагенную активность на каком-либо тестобъекте.
 Данные, полученные при генетическом мониторинге,
служат сигналом мутагенной опасности пестицидов не
только для ограниченных профессиональных
контингентов, но и для населения в целом при
загрязнении окружающей среды пестицидами-мутагенами
Лекарственные препараты
 Все цитостатические
препараты,
противосудорожные
(барбитураты), наркозные
газы,
противовоспалительные
препараты (в высоких
дозах): бутадион, аспирин,
анальгин, амидопирин,
психоторпные: клозепин,
хлоридин,
хлорпропанамид,
гормональные
препараты….
Цитостатические препараты
 Наиболее выраженным мутагенным действием
обладают цитостатики и антиметаболиты,
используемые для лечения злокачественных
новообразований и как иммунодепрессанты.
 Многие цитостатики вызывают зависимое от дозы
повышение частоты хромосомных аберраций и
сестринских хроматидных обменов в лимфоцитах
человека in vitro и in vivo (онкобольные).
 Даже у медицинского персонала онкологических
отделений, не соблюдающего мер
предосторожности при расфасовке цитостатиков,
может быть небольшой мутагенный риск.
Цитостатические препараты
 Наибольшую группу цитостатиков с мутагенным
действием составляют препараты алкилирующего
действия, т. е. производные этиленимина,
дихлордиэтиламина, нитрозомочевины. Как
правило, они непосредственно повреждают ДНК в
процессе репликации.
 Некоторые из препаратов (тиофосфамид,
дегранол и др.) оказывают прямое мутагенное
действие, для других (циклофосфамид) требуется
метаболическая активация (монооксигеназы).
Цитостатические препараты
 Противоопухолевые
антибиотики (актиномицин
Д, адриамицин,
блеомицин, дауномицин,
митомицин С) индуцируют
хромосомные аберрации в
клетках человека в
зависимости от дозы.
Механизм мутагенного
действия некоторых из них
связан, по-видимому, с
внедрением
(интеркаляцией) их в ДНК в
процессе синтеза.
(из http://ru.wikipedia.org/wiki/DNA)
Цитостатические препараты
 Цитостатические препараты, действующие
как ингибиторы веретена, вызывают
анеуплоидию и полиплоидию в большей
степени, чем хромосомные аберрации. К
ним относятся винбластин и винкристин.
 Четкой дозовой зависимости для этих
препаратов не установлено. Мутагенное
действие их, следовательно, выражено в
меньшей степени, чем у цитостатиков
алкилирующего действия.
Цитостатические препараты
 Хотя цитостатики и антиметаболиты
сильно индуцируют хромосомные
мутации в клетках человека, они широко
применяются в лечебной практике по
жизненным показаниям.
 Поскольку большинство пациентов,
применяющих эти препараты, не имеют
потомства, то генетический риск от этих
препаратов для будущих поколений
небольшой.
 Многие
лекарственные
вещества
вызывают в культуре клеток человека
мутации в дозах, отражающих реальные, с
которыми контактирует человек, но не
показывают четкой дозовой зависимости.
 Эти препараты индуцируют (в 2-3 раза
выше спонтанного уровня) хромосомные
аберрации у «контактирующих» с ними
индивидов.
 В эту группу лекарств можно отнести:
 противосудорожные
препараты





(комплекс
барбитуратов),
психотропные (клозепин),
гормональные
(эстрадиол,
прогестерон,
депомедроксипрогестеронацетат,
оральные
контрацептивы),
смеси для наркоза,
хлоридин, хлорпропанамид,
противовоспалительные
средства
(бутадион,
ацетилсалициловая кислота, амидопирин).
В
отличие
от
цитостатиков,
нет
уверенности, что препараты указанных
групп действуют на половые клетки.
Результаты их проверки в экспериментах
даже на соматических клетках не всегда
совпадают.
аспирин
и
амидопирин
 Например,
повышают
частоту
хромосомных
аберраций, но только при больших дозах,
применяемых при лечении ревматических
болезней.
 Существует группа препаратов, обладающих слабым
мутагенным эффектом. Механизмы их действия на
хромосомы неясны. Не исключается опосредованное
действие через изменение метаболизма каких-то
соединений, являющихся катализатором спонтанного
мутагенеза.
 К таким слабым мутагенам относят метилксантины (кофеин,
теобромин, теофиллин, паракзантин, 1-, 3- и 7метилксантины), психотропные средства (трифгорпромазин,
мажептил, галоперидол), хлоралгидрат,
антишистосомальные препараты (гикантон флюорат,
мирацил О), бактерицидные и дезинфицирующие средства
(трипофлавин, гексаметилен-тетрамин, этиленоксид,
левамизол, резорцинол, фуросемид).
 Несмотря слабое мутагенное действие
перечисленных лекарств, из-за их
широкого применения необходимо
вести тщательные наблюдения за
генетическими эффектами этих
соединений. Это касается не только
больных, но и медицинского персонала,
использующего препараты для
дезинфекции, стерилизации, наркоза.
Компоненты пищи
 Ряд веществ,
содержащихся в пище,
обладает мутагенной
активностью. К ним можно
отнести нитрозамины,
тяжелые металлы,
микотоксины, алкалоиды,
некоторые пищевые
добавки, а также
гетероциклические амины
и аминоимидазоазарены,
образующиеся в процессе
кулинарной обработки
мясных продуктов.
Компоненты пищи
 Мутагенная активность пищи,
приготовленной разными способами,
различных пищевых продуктов изучалась в
опытах на микроорганизмах и в
экспериментах на культуре лимфоцитов
периферической крови.
 Слабыми мутагенными свойствами
обладают такие пищевые добавки, как
сахарин, производное нитрофурана АР-2
(консервант), краситель флоксин и др.
Мутагенность некоторых пищевых добавок
Название, область применения
Объект исследования
Мутагенный эффект
Конго красный, используется как
пищевой краситель
микроорганизмы, мыши
СХО, микроделеции
Экстракт черного перца
мыши
СХО
Фураниол (ароматизатор
пекарских изделий
мыши, дрожжи,
сальмонелла
СХО, генные мутации
Пиперонин бутксин (синергист
пиретрума), пищевая добавка
мыши, клетки китайского
хомячка
СХО, эндоредупликация
синигрин, пищевая добавка
клетки китайского
хомячка
СХО, хромосомные
аберрации
«А – 1» пищевая приправа,
мыши, сальмонелла
СХО, генные мутации
человек
хромосомные аберрации
мыши
мутагенный эффект в
ароматизатор
Сахарин, длительное применение
PhIp, пищевой компонент
клетках эпителия кишечника
Гетероциклические амины и аминоимидазоазарены,
образующиеся в процессе кулинарной обработки мясных
продуктов
 В эту группу веществ входят так называемые
пиролизатные мутагены, выделенные
первоначально из жареных, богатых белками,
продуктов.
 Генетическая активность пиролизатных мутагенов
изучена с помощью различных тест-систем:
микробных на индукцию точковых мутаций и
рекомбинаций, на клетках млекопитающих in vitro
и in vivo на индукцию точковых мутаций,
хромосомных аберраций и сестринских
хроматидных обменов (СХО), а также на клетках
человека in vitro на индукцию повреждений ДНК и
хромосомных аберраций.
Нитрозосоединения в пище
 Наличие в пище нитрозаминов впервые
было обнаружено японскими учеными в
1983 г. при изучении мутагенной
активности соевого соуса и пасты из
соевых бобов, обработанных 50 мМ
нитритом натрия.
 Из 8 видов соевого соуса 7 показали
значительную мутагенную активность на
штаммах сальмонеллы, индуцируя 960025200 ревертантов в пересчете на 1 мл
соуса.
Прочие химические мутагены
 Выхлопные газы автотранспорта
 Выбросы в атмосферу отходов
промышленных предприятий и
теплоэлектростанций.
 Компоненты табачного дыма (мутагенные
продукты пиролиза белков и аминокислот,
а также нитрированных ароматических
углеводородов).
Динамика частоты аберрантных метафаз у подростков и
среднесуточных концентраций бенз(а)пирена (в мг/м3)
в атмосферном воздухе Кемерово за период 1992 – 1996гг.
0,000006
4
0,000005
3,5
3
0,000004
2,5
0,000003
2
1,5
0,000002
Концентрация, мг/м3
Частота аберрантных метафаз, %
4,5
1
0,000001
0,5
0
0
92
93
94
95
Год обследования
% аберрантных метафаз
96
концентрация
бенз(а)пирена
аберрантные метафаз
Частота мутаций хромосом у курящих
и некурящих на основании анализа всей базы данных (920 чел.)
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
курящие
некурящие
Мутагены биологической природы
 Вирусная инфекция (вирусы оспы, кори,
ветряной оспы, гриппа, гепатита и др.)
 Микотоксины – продукты
жизнедеятельности некоторых плесневых
грибов (афлатоксин).
Мутагены биологической природы
 Наиболее значимыми биологическими
мутагенными являются РНК-содержащие
вирусы и, в частности, ретровирусы, в
жизненный цикл которых входит стадия
образования ДНК обратной
транскриптазой и внедрение ее в форме
провируса в геном клетки хозяина.
 Впервые обратная транскрипция (синтез
ДНК по матрице РНК) была обнаружена в
1970 году при работе с вирусом саркомы
Рауса.
Мутагены биологической природы
 Важной характеристикой вирусного мутагенеза
является способность вирусов вызывать
точковые мутации, приводящие к замене
оснований. Способность онковирусов вызывать
точковые мутации была показана на примере
индукции вирусом SV40 в клетках человека
реверсий к прототрофности по метионину и
обратных мутаций по локусу hprt в клетках
китайского хомячка. Кроме того, с помощью
молекулярно-биологических методов было
показано
преимущественное
образование
точковых мутаций в гене hprt после заражения
клеток крысы вирусом герпеса HSV-2 .
Афлатоксины
 Сильными мутагенами являются афлатоксины – токсины
грибов Aspergillus flavus Link и A.parasitucus speare.
Афлатоксины отличаются среди микотоксинов своими
токсическими свойствами и широким распространением. По
химической
структуре
они
представляют
собой
фурокумарины. Помимо 4 основных афлатоксинов, B1, B2,
G1 и G2, известны более 10 соединений.
 Афлатоксин B1 является наиболее сильным мутагенным и
канцерогенным
соединением
из
всех
известных
микотоксинов. Его мутагенное действие изучено с помощью
различных
тест-систем,
включающих
как
трансформирующую ДНК in vitro, так и клетки костного мозга
лабораторных животных in vivo.