Канцерогены: с ними можно жить, но нужно бороться

Что такое канцерогены

Канцероген — это агент (вещество или фактор), воздействие которого на организм человека повышает вероятность возникновения злокачественных опухолей. В силу своих физических или химических свойств он может вызвать необратимые изменения и повреждения в тех частях генетического аппарата, которые осуществляют контроль над соматическими клетками (то есть всеми, кроме половых).

Первые описания рака можно найти в Древнем Египте [1]. В папирусе Эдвина Смита, который датируется примерно 1600 годом до н.э. (а содержащиеся в нем сведения и фрагменты текста могут быть отнесены к середине третьего тысячелетия до н.э.), уже есть описание рака груди и процедуры прижигания опухолей.

В настоящее время исследования рака — одна из самых активно развивающихся областей медицины и смежных биологических наук. В мире насчитывается 216 рецензируемых научных журналов, посвященных изучению рака [2]. Внимание ученых всего мира приковано к раку в связи с тем, что это одна из основных причин смерти. В 2020 году, по данным ВОЗ, от рака умерли 10 млн человек [3].

Причин возникновения и развития рака много. Например, неправильное питание, ожирение, малоподвижный образ жизни, курение, употребление наркотиков и алкоголя, воздействие радиации (в том числе солнечной), генетическая предрасположенность. Рак может быть и профессиональным заболеванием, если работа подразумевает постоянный контакт с канцерогенами, а может развиться и на фоне неблагоприятной экологической обстановки.

Социальная экономика Самый опасный вид рака: правда и мифы о меланоме

Классификация канцерогенов

По своему воздействию на организм канцерогены бывают химические, физические и биологические.

Химические канцерогены

Химические канцерогены ответственны за возникновение до 80–90% всех злокачественных опухолей человека [4]. Их действие связано с биохимическими процессами, которые запускаются при попадании канцерогенов в организм. Попасть в организм они могут через кожу, с едой, при вдыхании, а в случае диагностических процедур — в кровоток через инъекцию. Это, например, нитраты и нитриты, некоторые пищевые добавки (Е121, Е123), соединения мышьяка, никеля, хрома, кадмия, асбест. Также Reuters со ссылкой на источники в июле сообщил, что Международное агентство по изучению рака (IARC) может объявить «возможным канцерогеном» один из самых распространенных в мире искусственных подсластителей — аспартам (Aspartame E951, используется в том числе при производстве диетической Coca-Cola) [5].

По тому, как ведут себя канцерогены, их можно разделить на инициаторы и промоторы. Инициаторы непосредственно участвуют в развитии рака, и их действие фактически необратимо. Промоторы, можно сказать, создают условия для развития рака, и их действие до определенного момента обратимо — большинство из них проявляют канцерогенные свойства при длительном, частом и непрерывном контакте. Самые опасные и сильные канцерогены сочетают в себе оба типа воздействия [6].

Химические канцерогены, как и нижеследующие физические, можно условно разделить на канцерогены естественного происхождения и антропогенного. Так вот, увеличение заболеваемости раком в последние десятилетия связано не только с увеличением продолжительности жизни и развитием диагностики, но и с тем, что в разы возросло воздействие на организм антропогенных канцерогенов.

Физические канцерогены

К физическим канцерогенам относятся различные виды ионизирующего излучения: α-, β-, γ-излучение, рентгеновское, нейтронное, протонное излучение, кластерная радиоактивность, потоки ионов, осколки деления. В процессе ионизации атом теряет или приобретает электрон. Это может приводить к разрыву молекулярных связей и нарушению структуры молекул [7].

Кроме излучения к физическим канцерогенам относят инертные волокна и частицы, которые не вступают в химические взаимодействия с молекулами организма, но провоцируют развитие опухолей именно за счет проявления физических свойств [8].

Биологические канцерогены

Виновниками рака могут быть и живые организмы (опустим дискуссии о том, являются ли вирусы живыми). На данный момент канцерогенными для человека считаются 11 биологических агентов. В это число входят семь вирусов, три паразитических червя и одна бактерия [9].

В 2012 году 15,4% случаев рака (2,2 млн) были вызваны вирусами (9,97%), 5,5% — бактериями и 0,06% — паразитическими червями гельминтами. Основными возбудителями являются бактерия хеликобактер пилори (Helicobacter pylori), заражающая желудок и двенадцатиперстную кишку, вирус папилломы человека (ВПЧ), вирусы гепатита В и гепатита С (ВГС) и вирус Эпштейна — Барр. В меньшей степени канцерогенез вызывается герпесвирусами саркомы Капоши, Т-клеточным лимфотропным вирусом человека типа 1, вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ-1), паразитическими червями Opisthorchis viverrini, Clonorchis sinensis и Schistosoma haematobium. [10]

Экономика инноваций Как работает новая вакцина от рака

Как разные канцерогены воздействуют на организм

Химические

В значительной степени деление канцерогенных веществ на инициаторы и промоторы совпадает с делением по адресату действия: канцерогены можно разделить на генотоксические и негенотоксические.

Генотоксические канцерогены нарушают работу генетического аппарата: они провоцируют ошибки при копировании молекулы ДНК, которое предшествует делению клетки, и тем самым вызывают мутации в геноме дочерней (новой) клетки [11]. Чаще всего такие канцерогены интеркалируют в ДНК, то есть сшиваются с азотистым основанием в ДНК и таким образом мешают работе генетического аппарата, не дают считывать информацию. Это можно представить себе, как если бы вы надели маленький замочек на велосипедную цепь с внутренней стороны — едва бы замочек доехал до зубчатого колеса, как велосипед бы встал. Так же и с генами: генотоксические канцерогены не дают прочитать ген до конца.

Белок, созданный на основе поврежденного кода, скорее всего, не сможет выполнять свою строительную функцию. Есть вероятность, что мутация не повлияет на структуру белка и его активный центр. Кроме того, возможно, будут и другие мутации, и они будут друг друга компенсировать или кодировать правильную последовательность аминокислот, но альтернативным способом.

Еще один вариант действия химических канцерогенов — различные алкилирующие агенты [12]. Они способны «навешивать» на молекулу ДНК малые молекулы, которые тоже будут мешать работе генетического аппарата. А могут регулировать работу генетического аппарата так, как это не запланировано природой.

В клетке есть механизмы «починки» (репарации) ошибок, но они не всесильны, и чем больше накапливается мест, где нужна репарация, тем выше вероятность, что она не произойдет [13]. Значительная часть молекулы ДНК не кодирует белки, поэтому если там случится поломка, то она не приведет к тому, что в клетке будет бесцельно (а может, и вредоносно) плавать «сломанный» белок. То есть действие канцерогенов является статистическим: одному организму повезет и пагубное воздействие будет обходить его стороной значительно дольше, чем другой организм [14].

Описанное выше действие — прямое. Канцероген самостоятельно вступает в связь с молекулой ДНК. Есть генотоксические канцерогены непрямого действия. Им нужна ферментативная активация при обмене веществ. Они связываются с активными продуктами обмена веществ (метаболитами) и уже через них воздействуют на ДНК.

Непрямое действие оказывают негенотоксические канцерогены (промоторного типа). Они накапливаются в организме по мере поступления и вызывают ряд злокачественных процессов. Однако их действие, как считается, может быть остановлено, если организм прекращает подвергаться воздействию новых доз канцерогена. Их токсическое действие приводит к нарушению как внутриклеточных, так и межклеточных процессов и провоцирует спонтанное деление клетки или даже каскад таких делений (клеточная пролиферация), вызывает окислительный стресс, в результате которого увеличивается количество свободных радикалов в организме. Кроме того, частицы вредного вещества могут образовывать связь с рецепторами, из-за чего клетка перестает получать сигналы из среды, или могут забивать межклеточные каналы, из-за чего две соседние клетки не могут общаться друг с другом напрямую. Другие негенотоксические канцерогены могут тормозить апоптоз (запрограммированную смерть клетки) [15].

Асбестовые волокна не образуют химические связи с ДНК, они просто прилипают к хромосомам, запутываются в них, тем самым мешают нормальной работе генетического аппарата и вызывают различные аномалии.

Физические

В отличие от химических канцерогенов проникающая радиация поражает молекулы ДНК внутри клеток случайным образом, поэтому риски заболевания тем или иным видом рака сложно поддаются прогнозированию. Чаще других радиация вызывает раковые заболевания кроветворных органов вследствие их высокой чувствительности. В случае радиационного воздействия его канцерогенность является как бы промотором для последующего химического развития рака. Молекулы, разрушенные радиацией, могут стать высокореактивными свободными радикалами, которые вызывают уже дальнейшее химическое повреждение [16].

Самым распространенным физическим канцерогеном является солнечный свет, а точнее входящий в его спектр ультрафиолет. Он находится на грани ионизирующего и просто возбуждающего излучения и не опасен для внутренних органов, однако ультрафиолет может приводить к разрыву молекулы ДНК, и этим он опасен для кожи человека. Вследствие антропогенного воздействия озоновый слой, защищающий планету от ультрафиолетового излучения, разрушается, и опасность приобретает серьезные масштабы [17].

Воздействие любых канцерогенов статистическое, и поэтому при частом воздействии солнечного света (особенно если защитный слой атмосферы над вами плохо справляется из-за озоновых дыр или просто из-за большой высоты над уровнем моря того места, где вы находитесь) риск заболевания меланомой (раком кожи) повышается.

Биологические

Некоторые вирусы действуют как прямые канцерогены: они превращают нормальные клетки в раковые путем включения собственного генома вируса в геном клетки или путем взаимодействия с клеточными белками для экспрессии онкогенов, что в конечном итоге приводит к ингибированию (подавлению или задержке) апоптоза.

Другие биологические агенты способствуют разложению или метаболической трансформации химических веществ в желудочно-кишечном тракте и превращают их в канцерогены (то есть выступают единым фронтом с химическими генотоксическими канцерогенами непрямого действия). Такие инфекционные агенты также могут модулировать выработку или активность различных ферментов обмена веществ.

Сильная корреляция установлена между раком и воспалительными процессами. Такие бактерии, как хеликобактер пилори, вирусы гепатита B и C вызывают хроническое воспаление и повреждение ДНК, спровоцированное активными формами кислорода, образованного результатами деятельности провоспалительных молекул. Такие молекулы называются хемокины и цитокины — полипептидные молекулы, «маленькие» белки, несущие информационную функцию.

Хотя воспаление — защитная реакция организма, оно является таковым до определенного предела. Чрезмерное высвобождение цитокинов и других защитных клеток организма (T-клеток, микрофагов и химических медиаторов) может привести к потенциально летальной реакции иммунной системы организма, известной как цитокиновый шторм (многие врачи и исследователи связывают смертность от COVID-19 с цитокиновым штормом) [18], [19], [20].

Вирусы, такие как вирус иммунодефицита человека, могут проявлять свою канцерогенность через подавление иммунной системы, что увеличивает риск развития рака. Бактерии и простейшие также могут продуцировать и выделять токсины, влияющие на различные клеточные процессы и ведущие к канцерогенезу [21].

Социальная экономика Почему некоторые виды рака не нужно лечить

Где люди сталкиваются с канцерогенами

Вещества, способные вызвать рак, могут содержаться в пище, приготовленной на открытом огне или поджаренной до корочки. Дело в том, что при горении органических веществ, а продукты питания, несомненно, ими являются, в качестве продуктов неполного сгорания могут образовываться полиароматические углеводороды. Ароматические углеводороды — это вещества, имеющие плоские молекулы, у которых двойные связи располагаются через одну (их еще принято изображать в виде шестиугольника с кружочком посередине, так что получается «гайка»). Простейшим ароматическим углеводородом является бензол — это и есть «гайка» из шести атомов углерода, каждый из которых связан с одним атомом водорода.

Полиароматические углеводороды (ПАУ) — это вещества, содержащие два и больше соединенных друг с другом бензольных кольца (или шестиугольника). Два — нафталин, три в линию — антрацен, три уголком — фенантрен и т.д.

Бензапирен был и остается одним из самых распространенных канцерогенов. Он образуется при приготовлении пищи, особенно на углях, при обжарке зерен кофе и какао-бобов (а значит, содержится и в шоколаде), при сжигании дров, угля и автомобильного топлива, а также он содержится в воде, воздухе и табачном дыме. Одна сигарета может содержать до 0,095 мкг бензапирена — это значит, что выкуривание полпачки в день равносильно проживанию вблизи промышленного источника бензапирена [22]. Очень много бензапирена (с точки зрения потенциального поступления в организм) содержится в жареном мясе, особенно в пережаренном на углях барбекю с корочкой, в котором может содержаться до 62,6 мкг бензапирена на килограмм [23].

Это вещество опасно вдвойне тем, что, встраиваясь (интеркалируя) в ДНК, может как вызывать рак у самого потребителя бензапирена, так и спровоцировать различные патологии у будущих детей. Он легко интеркалирует в ДНК из-за того, что молекула бензапирена плоская и ей легко влезть между другими основаниями, как книжке втолкнуться на полку. Похожим действием обладает, например, бромистый этидий, но в повседневной жизни его не встретишь, зато это совершенно обычный реактив, скажем, для молекулярных биологов, который они используют в своих экспериментах.