1.6. Природные мутагены

В эту группу входят метаболиты растений и микроорганизмов – алкалоиды, микотоксины, антибиотики, флавоноиды.

Первыми алкалоидами, у которых была обнаружена мутагенная активность, явились пирролизидины (лезнокарнин, монокроталин и другие), циказин и криптоплеурин. Они индуцировали сцепленные с полом летальные мутации у дрозофилы, генные мутации у микроорганизмов и аберрации хромосом в клетках млекопитающих.

Наиболее 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 и обезьян in vivo. Известно, что мутагенные и другие биологические эффекты афлатоксинов связаны с их активными метаболитами.

Из флавоноидов хорошо исследованы генетические эффекты кверцетина. Он содержится во многих фруктах, чае, красных сортах вин и папоротнике Ptiridium aquillum. В этой связи много внимания уделяется изучению генотоксичности кверцетина с помощью различных тест-систем. Немаловажное значение имеют результаты изучения влияния флавоноидов на активность известных мутагенных загрязнений окружающей среды. Совместное поступление их в организм человека имеет место в повседневной жизни. Известно, что некоторые флавоноиды снижают мутагенную активность ряда веществ. Вместе с тем, известны случаи увеличения флавоноидами мутагенной активности 2-ацетиламинофлуорена.

1.7. Компоненты табачного дыма

Результаты эпидемиологических исследований показали, что в этиологии рака легкого наибольшее значение имеет курение. На конференциях, проведенных под эгидой Международного агентства по изучению рака в 1986 г. в г. Лионе и г. Москве, посвященных проблемам курения, сделано заключение о том, что 70-95% случаев возникновения рака легкого связано с табачным дымом, который является канцерогеном. Относительный риск возникновения рака легкого зависит от количества выкуриваемых сигарет, однако продолжительность курения является более существенным фактором, чем количество ежедневно выкуриваемых сигарет.

В настоящее время большое внимание уделяется изучению мутагенной активности табачного дыма и его компонентов. Определение мутагенной активности табачного дыма можно разделить на два этапа. Первый этап связан с изучением активности конденсатов табачного дыма в тесте Эймса и других краткосрочных тест-системах и охватывает период с 1977 до 1983 г. К 1983 г. были получены основные сведения о цитогенетической активности табачного дыма на культурах клеток млекопитающих. Газообразный сигаретный дым, его конденсаты и моча курящих индуцировали СХО в культурах клеток. Сигаретный дым в газовой фазе вызывал СХО в лимфоцитах человека in vitro, митотические рекомбинации и мутации дыхательной недостаточности в дрожжах. Сигаретный дым и его конденсаты индуцировали рецессивные, сцепленные с полом, летальные мутации у дрозофилы.

Таким образом, в первом периоде исследования генетической активности табачного дыма были получены многочисленные данные о том, что табачный дым содержит генотоксичные соединения, способные индуцировать мутации в соматических клетках, что может привести к развитию опухолей, а также в половых клетках, что может быть причиной наследуемых дефектов. Второй этап изучения мутагенной активности табачного дыма характеризуется открытием специфичных мутагенов, изучением путей их образования, метаболизма и механизма мутагенного действия. Много внимания уделяется поиску подходов оценки реальной генетической опасности табачного дыма. Для этого проводятся работы по изучению различия цитогенетических изменений в соматических клетках курящих и некурящих, а также по индивидуальной дозиметрии генетических эффектов тех или иных компонентов сигаретного дыма.

Обнаружено, что экстракты аэрозолей табачного дыма и мочи курящих проявляют мутагенную активность на штаммах S.typhimurium в тесте Эймса. Они вызывают мутации типа сдвига считывания и нуждаются в метаболической активации S-9 фракцией печени лабораторных животных или человека. Аналитические исследования показали, что высокая мутагенность экстрактов аэрозолей табачного дыма не связана с содержанием в них бенз[а]пирена. Большинство исследователей связывали мутагенную активность табачного дыма с содержанием в нем высокомутагенных продуктов пиролиза белков и аминокислот, а также нитрированных ароматических углеводородов. Кроме того, в табачном дыму обнаружены специфичные нитрозамины, представляющие собой нитрозированные производные алкалоидов табака. Нитрозированными производными никотина являются 4-(метилнитроамино)-1-(3-пиридил)-1-бутанон и N΄-нитрозонорникотин, получившие в литературе условное обозначение NNK и NNN, соответственно. Кроме того, в небольшом количестве обнаружен 4-(метилнитрозоамино)-1-(3-пиридил)бутанон (NNA). NNA также образуется из норникотина.

Мутагенное влияние и его последствия

Недавние исследования Японского национального института рака, основанные на обследовании 122 тыс. японцев в возрасте старше 40 лет, показали, что в группах, ежедневно потребляющих продукты с высоким содержанием антимутагенов, значительно ниже вероятность возникновения опухолей. Это и понятно, ибо раковая клетка в определенном смысле не что иное, как мутация клетки нормальной. Не случайно, что с 1988 г. в Японии практически реализуется новая технология содержания кур, позволившая многократно увеличить содержание витамина Е в диетических яйцах. Вообще в этой стране, где одна из наиболее высоких продолжительностей жизни, выпуск специальных продуктов питания с антимутагенными свойствами - явление обычное.

Подобная закономерность характерна не только для Японии. Мы уже говорили, что у представителей различных рас, потребляющих большое количество овощей, злокачественные новообразования появляются значительно реже и в более позднем возрасте.

Экспериментально и в клинике подтверждена эффективность использования антимутагенов для уменьшения генотоксических эффектов при вирусной инфекции, а также проведении массовых профилактических прививок. В экспериментах с культурами клеток человека альфа-токоферол эффективно снижал частоту мутирования хромосом, вызванного вирусной инфекцией. Изучение влияния интерферона на частоту аберраций хромосом у больных гриппом показало, что вирусная инфекция приводит более чем к 3-кратному увеличению мутирования. После введения интерферона существенно снижалось количество клеток с аберрациями хромосом, при этом эффективность препарата возрастала по мере увеличения срока лечения. Так, у лиц, получавших интерферон в течение 6-9 дней, уровень мутабильности оказался сниженным более чем на 50%.

Явление антимутагенеза

Приведенная классификация весьма условна, так как многие известные антимутагены могут быть отнесены одновременно к нескольким группам. Например, некоторые витамины и провитамины (токоферол, каротин и др.), относящиеся к фармакологическим средствам, одновременно обладают антиокислительными свойствами и могут входить в качестве компонента в состав комплексных природных соединений. Как видим, антимутагенез достаточно распространенное явление. Явление антимутагенеза было обнаружено во время экспериментов с бактериями, которые и поныне остались основным объектом исследований в этой области. Последующие эксперименты показали, что антимутагены действуют практически на все объекты, используемые в генетических исследованиях. Действие антимутагенов было изучено на бактериях, грибах, высших цветковых растениях, дрозофиле, культуре клеток человека и животных, а также на самих лабораторных животных. Всего в исследования по антимутагенезу вовлечено более 30 объектов, различающихся по степени сложности организации, характеру метаболизма, эволюционному положению и т. п. Сейчас установлено, что антимутагены достаточно эффективны и для человека. У рабочих и служащих, занятых в некоторых отраслях добывающей промышленности или на определенных химических заводах, в результате профессионального контакта с промышленными мутагенами уровень нарушений хромосом в клетках возрастает по сравнению с нормой в 2-3 раза. Однако когда в рационы их питания вводили антимутагены, частота мутантных клеток возвращалась к норме или существенно снижалась.

Вовлечение большого количества объектов в исследования по антимутагенезу не самоцель. Оно связано с необходимостью разработки теоретических основ антимутагенеза и определения основных путей использования этого феномена в практических целях. Оказалось, что многие антимутагены тормозят как природный мутагенез, так и вызванный действием ионизирующих излучений и химических веществ различной природы.

Можно привести много примеров, когда один и тот же антимутаген оказывается эффективным по отношению к различным мутационным индукторам. В качестве примера можно назвать альфа-токоферол (витамин Е), который обладает универсальным антимутагенным действием. Каков бы ни был источник, вызывающий мутационный процесс, - ионизирующие излучения, химические мутагены и канцерогены, вирусы, старение и т. д., витамин Е проявил высокую антимутагенную эффективность на всех объектах, будь то микроорганизмы, растения, культура клеток человека и животных, млекопитающие.

Фактически это одна из наиболее изученных групп антимутагенов. В группу входят токоферол (витамин Е), аскорбиновая кислота, многие антиокислительные ферменты, ряд синтетических веществ (ионол, оксипиридины, дигидропиридины, соединения селена и др.). Соединения селена заслуживают особого внимания. Экспериментальные данные и эпидемиологические наблюдения за популяцией человека в разных районах мира показывают, что недостаток селена в рационе влияет на частоту возникновения наследственных, раковых и сердечнососудистых болезней. Естественно, что компенсация необходимого количества селена, напротив, способствует подавлению мутагенного действия различных факторов. Однако необходимо учитывать, что высокие концентрации селена токсичны. Передозировка этого элемента может привести к печальным последствиям - увеличится уровень мутирования и провоцирование различных форм патологии клетки. В частности, установлено, что чрезвычайно высокое содержание селена в кормах может стать причиной повышения частоты врожденных дефектов у сельскохозяйственных животных.

Можно заметить, что значительное число антимутагенов действуют универсально. Они подавляют мутабильность, вызванную факторами различной физико-химической и биологической природы многих объектов: от микроорганизмов до клеток млекопитающих. Причина этого заключается, видимо, в том, что они воздействуют на один и тот же общий для многих организмов механизм. Одним из таких механизмов является репарация ДНК - специализированный "ремонт" этой носительницы наследственной информации, т. е. выявление и устранение "поломок" в ней с восстановлением ее первоначальной, нормальной структуры. Установлено, что значительное число антимутагенов действительно активируют этот процесс репарации.

Мы уже отмечали, что в основе наследственной изменчивости организмов лежат хромосомные и генные нарушения, частота которых характеризует мутационную изменчивость организмов. Исследования показали, что действие некоторых антимутагенов специфично - они эффективны только по отношению к аберрациям хромосом или генным мутациям. Большинство же антимутагенов неспецифично. Многие антимутагены универсальны. Это значит, что один и тот же антимутаген может снижать уровень природных (спонтанных) и индуцированных различными факторами аберраций хромосом и генных мутаций на различных объектах. В связи с этим введено понятие индекса универсальности антимутагенов. За единицу индекса универсальности принимают антимутагенный эффект по каждому из мутационных тестов (генные мутации и аберрации хромосом) на различных типах объектов (микроорганизмы, растения, млекопитающие и культура клеток человека), в условиях индукции мутаций факторами различной природы (спонтанный, радиационный, химический). Полученная в результате суммирования величина характеризует степень универсальности того или иного антимутагена.

Наиболее высокие индексы универсальности свойственны таким антимутагенам, как токоферол, аскорбиновая кислота, селенит натрия и др. Они подавляют мутабильность у бактерий, грибов, высших растений, в культуре лейкоцитов человека и млекопитающих, снижают уровень аберраций хромосом и генных мутаций, вызванных действием радиации, химических соединение и возникающих спонтанно. Индексы универсальности этих антимутагенов имеют максимальное значение. Отметим, когда говорят об универсальности антимутагена, это вовсе не означает, что это вещество, или фактор, обязательно будет уменьшать частоту мутаций при использовании любого генотоксиканта. Индекс лишь характеризует степень универсальности и может быть использован при сравнении различных антимутагенов. Все известные антимутагены - лишь стабилизаторы мутационного процесса. Они не приводят к снижению темпов спонтанного мутирования ниже эволюционно сложившегося оптимального уровня, что очень важно. Ведь при полном подавлении мутабильности организмов они перестанут эволюционировать, так как исчезнет основа для естественного отбора. Подобное маловероятно, хотя бы потому, что полного подавления мутационного процесса под действием антимутагенов добиться не удается. Более того, они, как правило, "не работают", если первоначальный уровень мутаций низок. Сейчас установлено, что степень влияния на мутагенез разных антимутагенов различна, но не известен, ни один антимутаген, полностью подавляющий мутационный процесс. В связи с этим для оценки и сравнения антимутагенов введен еще один критерий - их эффективность, характеризующая фактически "силу" антимутагена, степень снижения им уровня спонтанной или индуцированной мутабильности.

В длительной эволюции становления человека постепенно, но неуклонно возрастала продолжительность его жизни. Наиболее заметно увеличилась продолжительность жизни во второй половине XX в. И естественно, что именно в этот период медики отмечают возрастание количества возрастных болезней, связанных с нарушениями генетического аппарата. Чем это объясняется? С одной стороны, с возрастом в организме снижается эффективность репарационных и других защитно-восстановительных систем, направленных на поддержание функции генетического аппарата в границах нормы. С другой стороны, увеличивается суммарная продолжительность воздействия на наследственность токсичных продуктов среды, что усугубилось возросшим количеством и ассортиментом их в биосфере.

В среде обитания человека всегда присутствуют носители генотоксичных продуктов - мутагены и канцерогены. Источники их различны: от абиотических, таких, как естественный фон радиации, резкие температурные колебания и другие, до биогенных индукторов, связанных с действием бактерий, вирусов, а также пищевых факторов. Во второй половине нашего века резко возросло количество техногенных, или, если можно так сказать, искусственных, мутагенов, но природные мутагены всегда присутствовали в биосфере. И вместе с ними всегда были антимутагены. Заметим, что соотношение тех и других в различных продуктах питания неодинаково.

Так, некоторые виды бобов, люпин, неочищенное хлопковое масло, черный перец, определенные виды съедобных, а также плесневых грибов содержат больше мутагенов, чем антимутагенов. Поэтому их не следует употреблять в пищу постоянно. Также значителен генетический риск в том случае, когда растения с мутагенными свойствами входят в состав кормов для животных. Например, в начале 80-х гг. в одном хозяйстве обнаружились одинаковые врожденные дефекты у новорожденного ребенка, выводка щенят и козлят. Оказалось, что в период беременности женщина и собака употребляли молоко, полученное от домашних коз, которых кормили люпином. Генетический аппарат коз был непосредственно поражен генотоксическими компонентами люпина, а человека и собаки - опосредованно, путем трансляции этих компонентов через молоко. Именно поэтому сейчас у нас в стране выведены и внедряются новые сорта люпина, у которых количество генотоксикантов доведено до минимума.

Баланс между мутагенами и антимутагенами может зависеть и от состояния объекта. Например, некоторые овощи и фрукты негенотоксичные в нормальном состоянии могут приобретать эти свойства при повреждениях и порче. Дело в том, что любые патологические состояния вызывают активацию естественной системы борьбы с болезнями, усиление синтеза и накопления генотоксических продуктов в виде натуральных пестицидов. Примером в этом отношении могут служить поврежденные клубни картофеля и многие плоды, а также пищевые продукты, поврежденные плесенью (заплесневевший хлеб, зерно, сыр, орехи, фруктовые соки).

Загрязнение окружающей среды

Человечество в течение всей своей истории находится в противоречии и единстве с окружающей его средой. В зависимости от этапа развития цивилизации, конкретной географической и исторической ситуации влияние человека на среду обитания было разным, однако непрерывно возрастало. Для нынешнего этапа характерны крупные экологические изменения и нарушения, масштабы которых глобальны. Негативные последствия научно-технического прогресса - вот основа этих нарушений. Среди них особенно тревожит загрязнение окружающей среды факторами, не свойственными биосфере в норме. Эффект их проявляется на разных уровнях: исчезают виды растений, животных и их сообщества, под действием факторов среды возникают серьезные физиологические изменения в организмах, приводящие нередко к различным патологическим состояниям и выраженным болезням. Загрязнение окружающей среды может привести и к более отдаленным последствиям, связанным с тем, что многие из загрязняющих факторов способны повреждать наследственные структуры клетки, т. е. проявляют мутагенные свойства. Первоначально предполагали, что это может быть причиной только повышения частоты наследственных болезней, врожденных уродств, раковых заболеваний. Ведь известно, что более 80% мутагенов проявляют также канцерогенные свойства, т. е. способны провоцировать злокачественные новообразования, причем 80% случаев появления опухолей вызваны факторами среды. Сейчас уже ясно, что появившиеся в среде обитания токсичные для наследственных структур (генотоксичные) продукты стали одной из причин сердечнососудистых, нервных, возрастных болезней и преждевременного старения. И это естественно, ведь генетический аппарат не только инструмент передачи свойств и признаков из поколения в поколение, но и своеобразный регулятор обменных процессов на протяжении всей жизни индивида.

Каковы пути их профилактики? Их несколько. Несомненно, что наиболее эффективно предотвращение загрязнения среды и изъятие из биосферы тех генотоксических продуктов, которые в ней уже имеются. Реализация этих мероприятий предполагает перевод всего производства на замкнутые, экологизированные (безотходные) и безаварийные циклы, а также выявление поступающих в окружающую среду мутагенных продуктов и замену их безопасными с генетической точки зрения аналогами. Оба эти подхода наиболее радикальны.

Однако в настоящее время их реализация весьма проблематична. Во-первых, не решены все технологические вопросы, связанные с созданием экологизированных производственных циклов. Во-вторых, не всегда и не везде имеются ресурсы для реализации этих проектов. Значит, в том или ином месте мутагены в среду все равно попадать будут. Для устранения повреждений генетического аппарата весьма перспективны методы генетической инженерии, однако в случае множественных поражений их возможности пока ограниченны.

Один из подходов к профилактике отрицательных генетических последствий загрязнения окружающей среды основан на повышении устойчивости организмов к действию экстремальных факторов. Для этих целей можно использовать антимутагены - факторы, способные снижать индуцированную мутабильность, уменьшать или полностью предотвращать поражение генетического аппарата.

Сведения об использовании явления антимутагенеза для предотвращения генетических последствий загрязнения среды представляют интерес не только для специалистов различного профиля. Нам кажется, что они могут оказаться полезными для самой широкой аудитории, ибо способностью нейтрализовывать генотоксический эффект мутагенов среды обладают многие природные соединения, являющиеся компонентами пищевых продуктов и входящие в состав лекарственных растений. Знание этих особенностей может снизить риск при контакте с токсичными продуктами.

В процессе эволюции живых организмов формировались различные приспособления, направленные на защиту организмов от влияния экстремальных факторов среды. Защита осуществляется на разных уровнях. На популяционном работают отбор, миграция и скрещивание. На организменном сформировались различные покровные ткани и специфические физиологические реакции детоксикации и регуляции. На клеточном и молекулярном важная роль в защите принадлежит клеточной оболочке, репарации ДНК - специализированному процессу "ремонта" этой важнейшей молекулы и др.

Однако темпы технической революции внесли свои коррективы в биологическую эволюцию. Ныне среда обитания загрязнена столь многочисленными факторами, обладающими мутагенными, тератогенными и канцерогенными свойствами, что естественные системы, обеспечивающие устойчивость организмов к экстремальным условиям, могут оказаться недостаточно надежными. При этом необходимо учитывать существующие индивидуальные различия по устойчивости, которая с возрастом снижается. В связи с этим ясно, что одну из важнейших задач - профилактику генетических последствий загрязнения среды - можно решать различными путями. Сегодня выделяют три подхода к решению этой проблемы.

Технологический подход требует применения (хотя бы на мутационно опасных производствах) безотходной технологии, замкнутых (экологизированных) циклов всего производства, чтобы опасные вещества не выходили в окружающую среду и чтобы сырье и конечная продукция не были вредными для генетического аппарата. Что касается промежуточных продуктов производства, то они в силу изоляции не смогут оказать генотоксического эффекта, за исключением их непредвиденного (аварийного) выхода в производственную среду. Естественно, необходимы разработка теоретических основ и инженерное решение создания замкнутых циклов во всех звеньях производства, изыскание финансовых и материальных ресурсов для повсеместной реализации проектов.

Борьба с техногенным мутагенезом

Одного лечебно-профилактического питания для борьбы с техногенным мутагенезом, по-видимому, будет мало. По всей вероятности, понадобятся и медицинские препараты принципиально нового класса - с антимутагенными свойствами. Эти препараты будут эффективны в случаях эпизодического (не постоянного) контакта людей с мутагенами в производственной или бытовой среде или когда пациент вынужден принимать лекарства с побочными генотоксическими свойствами. В этих случаях постоянный профилактический прием антимутагенов может быть заменен ограниченным по времени, но более интенсивным приемом их в лекарственной форме. Исследования в этом перспективном направлении проводятся.

Поэтому компенсационный принцип профилактики генетических последствий загрязнения окружающей среды мутагенами становится основным. Ведь на данном этапе значительно возросло мутационное давление среды в результате введения в нее значительного числа генотоксических компонентов. Причем это происходит на фоне заметного снижения эффективности отбора, что приводит к увеличению генетического груза популяции. К тому же существенно увеличилась продолжительность жизни человека. Увеличение продолжительности жизни означает возрастание сроков воздействия на индивидуумы генотоксических продуктов и накопление их доз.

Компенсационный принцип на современном этапе предполагает две группы мероприятий по предотвращению генетических последствий загрязнения среды. Во-первых, предотвращение или снижение вероятности возникновения мутаций и, во-вторых, устранение уже возникших и закрепленных в ДНК изменений путем ее "реставрации" или перестройки наследственного аппарата методами генетической инженерии.

Сохранить генофонд - значит сохранить все богатство окружающего растительного и животного мира. Человечество всегда к этому стремилось. Это нашло отражение, например, в легенде о Всемирном потопе: спасаясь от гибели, Ной взял на ковчег не только свою семью, но и "всякой твари по паре". По существу, говоря языком современной науки, в легенде описан мобилизационный принцип охраны генофонда. Он используется и сегодня, когда виды, исчезающие или уже не встречающиеся более в природе в единичных экземплярах, сохраняются и воспроизводятся в ботанических садах и зоопарках, генофондных заповедниках.

Еще одна сфера возможного применения антимутагенов - это снижение генотоксического действия пестицидов на сельскохозяйственные культуры - выведение специальных сортов с высоким содержанием антимутагенов и тем самым приспособленных к интенсивной химизации сельскохозяйственного производства. Ведь пока человечество не может полностью отказаться от применения пестицидов. Предпринимаются выявления возможностей попытки нейтрализовать генотоксическое действие пестицидов некоторыми антимутагенами. В частности, в одном из экспериментов семена вначале обрабатывали инсектицидом гранозаном, существенно увеличивающим уровень мутаций, а затем некоторыми природными и синтетическими антимутагенами. В результате мутагенный эффект гранозана был купирован. Конечно, реализация подобных мероприятий может встретиться с серьезными технологическими трудностями, но, тем не менее, принципиально они возможны.

Охрана генофонда ныне живущих популяций и природы в целом стала теперь одной из наиболее важных и острых проблем всего человечества. Она требует комплексного решения, но уже сегодня ясно, что без развития методов антимутагенеза ее решение невозможно.