Возникновение и развитие рака и эффект низких доз
Как уже говорилось в главе 10, один из путей химического канцерогенеза – это формирование и неправильная репарация ДНК-аддуктов, ведущие к генетическим мутациям и в конечном итоге к образованию опухолей. Мутировавшая клетка становится доступной действию химических веществ, стимулирующих развитие опухолей. В некоторых случаях инициация и дальнейшее развитие опухолевого роста вызываются одним и тем же веществом, но зачастую это бывают два разных вещества.
Для понимания активности химических канцерогенов необходимо изучение живых клеток, взятых у раковых пациентов. На раннем этапе такие исследования были затруднены, поскольку культуру клеток удавалось поддерживать не более нескольких месяцев. Клетки какое-то время процветали и размножались, но затем старели и погибали. Не имея бессмертной клеточной модели, ученые направили свои усилия на выращивание новых клеток, взятых от разных пациентов, но эти культуры были настолько генетически разнообразны, что было очень сложно получить обобщенные данные по какому-либо из типов рака.
Эти трудности ограничивали исследования химических канцерогенов до тех пор, пока не были получены бессмертные культуры клеток. Бессмертная культура клеток – это культура, клетки которой подверглись такой мутации, что гены, ответственные за биологический процесс старения, были «отключены». Поэтому такие клеточные линии при должном уходе не погибают. Технологии, позволившие получать и поддерживать такие культуры, были отработаны в начале 1970-х гг. Одна из известных бессмертных культур была получена в Мичиганском раковом фонде от женщины с раком груди – сестры Кэтрин Фрэнсис Мэллон, монахини из Детройтского района. Эта линия получила название MCF-7 и отличается высокой рецепторной чувствительностью к эстрогену, то есть обычный эстроген – 17-бета-эстрадиол – вызывает в ней клеточную пролиферацию.
Развитие этой и других клеточных культур дало возможность для проведения разнообразных исследований, направленных на выяснение механизмов опухолевого роста, управляемого эстрогенами. В 1975 г. ученые продемонстрировали, что антиэстроген тамоксифен подавляет рост клеток MCF-7. Это открытие было очень важным: тамоксифен, конкурирующий с эстрадиолом за присоединение к эстрогеновым рецепторам, впоследствии стал стандартным компонентом терапии практически для всех случаев рецептороположительного к эстрогену рака. Однако не было понятно, как именно эстрогены вызывают рост опухолей и является ли сам стероид канцерогенным.
С середины 1970-х гг. и в 1980-е гг. главным вопросом, который пытались разрешить ученые, был механизм развития опухолей под влиянием эстрогена. Результаты проводимых исследований были зачастую противоречивыми. В некоторых лабораториях эстроген вызывал пролиферацию клеток MCF-7, в то время как в других этого не наблюдалось. Этим противоречиям нашлось поразительное объяснение: выяснилось, что в тех лабораториях, где эстроген не вел к клеточному росту, культура клеток еще до экспериментального воздействия подвергалась стимуляции эстрогеноподобным веществом. Некоторые используемые в лабораториях среды для выращивания культур клеток содержат феноловый красный, вещество, способное присоединяться к эстрогеновым рецепторам и стимулировать клеточную пролиферацию. Если в среде не было фенолового красного, роль эстрогена в пролиферации была очевидна. Но если он был там, даже в малых концентрациях, эстроген не мог стимулировать клеточный рост, так как эта миссия уже была выполнена вмешавшимся не в свое дело феноловым красным.
Токсичность фенолового красного не описывается стандартной кривой зависимости реакции от дозы. В больших дозах он токсичен и убивает как клетки, реагирующие на эстроген, так и все остальные. В более низкой концентрации феноловый красный не убивает клетки, а наоборот, работает как стимулятор роста, заставляя клетки, реагирующие на эстроген, делиться. Это действие может казаться безобидным, однако в случае клеток MCF-7 это вовсе не так, потому что эти клетки являются канцерогенными, то есть могут производить опухоли, и, следовательно, феноловый красный действует как инициатор рака. Реакция все равно может быть токсичной (если не для самих клеток, то для пациента в целом), однако воздействие на клетки меняется со смертельного на стимулирующее рост. В значительно меньших дозах действие фенолового красного как инициатора роста опухолей ослабляется, так как концентрация вещества недостаточна для того, чтобы адекватно стимулировать клеточный рост.
Выявленное воздействие фенолового красного на рост клеток MCF-7 оказалось для ученых сюрпризом, однако в дальнейшем были получены и другие результаты, свидетельствующие о том, что подобное влияние на рост клеток инородных веществ – вовсе не уникальный случай. Например, в одном из методов анализа веществ на эстрогенность использовалась растущая культура MCF-7 в присутствии сыворотки человеческой крови, очищенной от стероидов. Рост клеток в такой среде подавлен, поэтому в культуру добавляется эстроген, чтобы снять ингибирование и обеспечить рост. Когда этот метод был применен в лаборатории Аны Сото в Университете Тафта, ученым не удалось воспроизвести результаты. При тщательном анализе состава среды, в которой росли клетки, обнаружилось присутствие инородного эстрогеноподобного вещества, п-нонилфенола, который выделялся из пластика, из которого были изготовлены лабораторные пробирки. Из-за того что п-нонилфенол стимулировал клеточный рост, культуры, в которых должно было наблюдаться ингибирование (негативный контроль), демонстрировали неожиданный рост.
Два приведенных выше примера иллюстрируют важные качества стероидных рецепторов – пугающее отсутствие точности. Исследования показывают, что с ними способно связываться большое количество разнообразных веществ. К стероидным рецепторам способны присоединяться и вызывать эстрогенный эффект даже ионы кадмия, несмотря на свой малый размер. Отчасти это можно объяснить эволюционным происхождением. Стероидные рецепторы принадлежат к более крупной группе ядерных рецепторов. Идентифицировано уже более 300 вариантов рецепторов этой группы, многие из которых являются «сиротскими», то есть не имеют известных природных эндогенных лигандов. Эти рецепторы связаны с синтезом ферментов цитохрома P450, участвующих в биотрансформации экзогенных химических веществ из жирорастворимых в водорастворимые для более эффективного выведения из организма (см. главу 5). Стероидные рецепторы относятся к группе, которая может реагировать на самые разные вещества, снижая их токсичность. Учитывая, что рецепторы эстрогена также принадлежат к этой группе, в их неразборчивости в принципе нет ничего удивительного.
Второе свойство рецепторов к стероидным гормонам также вносит вклад в их способность реагировать на гормональные сигналы в очень низких концентрациях. Гормоны, подобные 17-бета-эстрадиолу, циркулируют в крови и связываются с клеточными рецепторами в очень малых концентрациях. Так, например, нормальная концентрация глюкозы в крови составляет примерно одну часть на тысячу, или один грамм на литр, а стероидов – примерно в миллион раз ниже, не более нескольких частей на миллиард. Эндокринная система в ходе эволюции «научилась» усиливать эти чрезвычайно тонкие сигналы путем создания рецепторов, обладающих высокой чувствительностью к молекулам действующих веществ.
Очень важно, что отношения между концентрацией стероидов в крови, занятостью рецепторов и биологическим эффектом не линейны. При очень низкой дозировке увеличение концентрации стероидов не ведет к значительному увеличению процента связанных со стероидами рецепторов, скорость этого увеличения может даже снижаться[9]. Но это еще не все. Во многих случаях связывания лиганда с рецепторами наблюдается прямая зависимость биологического эффекта от связывания, так что при самом высоком проценте связанных рецепторов (приближающемся к 100) эффект наиболее силен. Однако в случае со стероидами все оказывается не так: эффект, приближающийся к максимальному, наблюдается при проценте связанных рецепторов гораздо ниже 100. Это явление получило название теории запасных рецепторов, так как биологический ответ максимален при небольшом числе рецепторов, улавливающих стероидный сигнал.
Эта способность усиливать очень тонкие химические сигналы имеет свою цену, так как действие связанных с репродуктивным процессом стероидных гормонов на организм далеко не во всех случаях благоприятно. Уже в 1930-е гг. было известно, что у грызунов, подвергающихся воздействию повышенного уровня главного женского полового гормона – эстрогена, возникает рак матки. Однако до недавнего времени механизм связи стероидов с раком был неясен. Прояснение роли эстрогена как инициатора опухолевого роста стало возможным только с развитием методики выращивания бессмертных культур, как мы уже говорили ранее. За последние 50 лет мы стали гораздо лучше понимать влияние химических веществ на человека и окружающую среду. Вещества, обладающие явной и острой токсичностью, известны человеку давно, но теперь сфера токсикологии включает в себя и малозаметные эффекты, вызываемые низкодозированным, но при этом хроническим воздействием. Теперь ученые рассматривают не только летальные случаи, но и менее очевидные последствия, например канцерогенез и аномалии развития плода. Иногда, как в случае с талидомидом, промежуток времени между первоначальным воздействием и проявлением последствий невелик. Но в других случаях, о чем мы поговорим в последующих главах, химические вещества могут наносить удар по внутренним органам, заметить последствия которого оказывается не так легко.
