Федеральная служба по надзору в сфере

защиты прав потребителей и благополучия человека

Федеральное государственное учреждение науки

«Федеральный научный центр медико-профилактических

технологий управления рисками здоровью населения»

Н.В. Зайцева, М.А. Землянова,

В.Б. Алексеев, С.Г. Щербина

ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ МАРКЕРЫ

И ГИГИЕНИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ХРОМОСОМНЫХ

НАРУШЕНИЙ У НАСЕЛЕНИЯ И РАБОТНИКОВ В УСЛОВИЯХ

ВОЗДЕЙСТВИЯ ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

С МУТАГЕННОЙ АКТИВНОСТЬЮ

(на примере металлов, ароматических углеводородов, формальдегида) Монография Пермь УДК 614.878]:661.7+ ББК 51.1(2Рос),0+52. Ц Рецензент чл.-корр. РАН, д-р мед. наук, профессор В.А. Демаков (директор Института экологии и генетики микроорганизмов Уральского отделения РАН, зав. лабораторией химического мутагенеза) Ц74 Цитогенетические маркеры и гигиенические критерии оценки хромосомных нарушений у населения и работников в условиях воздействия химических факторов с мутагенной активностью (на примере металлов, ароматических углеводородов, формальдегида) / Н.В. Зайцева, М.А. Землянова, В.Б. Алексеев, С.Г. Щербина. – Пермь: Книжный формат, 2013. – 222 с.

ISBN 978-5-91754-147- Рассмотрены особенности гигиенической индикации цитогенетических нарушений при воздействии химических факторов с мутагенной активностью. Представлены комплексы маркеров экспозиции и маркеров эффектов, их критериальные параметры в условиях устойчивого воздействия химических мутагенов как факторов риска развития цитогенетических нарушений и репродуктивных потерь (металлов, ароматических углеводородов, формальдегида и его производных и др.) при различных путях поступления в организм.

Выявлены особенности воздействия химических веществ с мутагенной и репротоксикантной активностью на организм матери и плода, детей и подростков на основании эпидемиологических и углубленных исследований. Описаны нарушения репродуктивного здоровья и цитогенетические маркеры эффекта у работников при воздействии химических мутагенов и репротоксикантов производственной среды (на примере металлургического, химического, текстильного производства).

Использование комплекса цитогенетических маркеров и гигиенических критериев оценки хромосомных нарушений в условиях воздействия химических факторов риска предназначено для осуществления на практике гигиенических исследований и экспертизы в рамках системного анализа причинно-следственных связей «среда – здоровье».

Предназначено для использования специалистами органов и организаций системы Роспотребнадзора, научно-исследовательских институтов, работающих в области профилактической медицины, гигиены окружающей среды и защиты прав потребителей, при повышении квалификации врачей различных профилей, обучении студентов медицинских вузов.

УДК 614.878]:661.7+ ББК 51.1(2Рос),0+52. © Н.В. Зайцева, М.А. Землянова, ISBN 978-5-91754-147- В.Б. Алексеев, С.Г. Щербина, © ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения», Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Welfare Federal State Research Institution “Federal Research Center for Medical and Preventative Technologies of Public Health Risk Management” N.V. Zaitseva, M.A. Zemlynova, V.B. Alekseyev, S.G.Scherbinа

CYTOGENETIC MARKERS AND HYGIENIC CRITERIA

FOR ASSESSMENT OF CHROMOSOMAL ABNORMALITIES

IN RESIDENTS AND WORKERS EXPOSED

TO CHEMICAL MUTAGENS

(THE CASE STUDY OF METALS, AROMATIC

HYDROCARBONS AND FORMALDEHYDE)

Monograph Perm УДК 614.878]:661.7+ ББК 51.1(2Рос),0+52. Doctor of Medicaal Science, Professor V.A. Demakov (Director, Institute of Ecology and Genetics of Microorganisms, Ural Branch of RAS, Chief of Laboratory, Chemical Mutagenesis) Ц74 Cytogenetic markers and hygienic criteria for assessment of chromosomal abnormalities in population and workers exposed to environmental and workplace hazards / N.V. Zaitseva, M.A. Zemlyanova, V.B. Alekseyev, S.G. Scherbina. – Perm: Knizhniy Format, 2013. – 222 pp.

This monograph focuses on characteristics of hygienic indication of cytogenetic abnormalities induced by environmental factors and chemical exposures in the workplace.

It looks at exposure markers and effect markers, their test parameters in the conditions of continuous chemical exposure as a risk factor inducing cytogenetic abnormalities and reproductive damages (metals, aromatic hydrocarbons, formaldehyde and its derivatives, etc.), including different routes of entry into the body.

We have described the effects of chemical substances with mutagenic and reprotoxic activity on the health of the mother and the fetus, and of children and teenagers based on epidemiological and in-depth studies. The monograph shows reproductive system disorders and cytogenetic effect markers in workers exposed to chemical mutagens and workplace toxicants.

Cytogenetic markers and hygienic assessment criteria of chromosomal abnormalities induced by chemical exposure are used in hygienic studies and testing as part of systemoriented analysis of cause-effect relationship between the environment and health.

The purpose of the materials is to be used by Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Welfare, preventive medicine, environmental hygiene and consumer protection research institutes, for advanced training of multidisciplinary healthcare professionals, and for training of medical students.

ISBN 978-5-91754-147- Оглавление Введение

Глава 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска развития цитогенетических нарушений у населения

1.1. Специфичность и особенности химического мутагенеза......... 1.2. Хромосомные нарушения у населения в условиях воздействия химических мутагенов

1.3. Репротоксичность химических соединений

1.4. Химические мутагены и репротоксиканты объектов окружающей и производственной среды как факторы риска развития цитогенетических нарушений и репродуктивных потерь

1.5. Методы исследования мутагенной активности химических соединений и генетического мониторинга популяции человека

Глава 2. Цитогенетические маркеры эффекта при воздействии химических мутагенов

2.1. Ароматические углеводороды как факторы риска цитогенетических нарушений у населения

2.2. Цитогенетическая индикация негативных эффектов воздействия формальдегида при экзогенном поступлении в организм

2.3. Цитогенетические маркеры эффекта у детей в условиях загрязнение атмосферного воздуха и питьевой воды металлами

Глава 3. Цитогенетические маркеры эффекта при воздействии химических мутагенов и репротоксикантов на организм матери и плода

Глава 4. Маркеры реализации врожденных пороков развития и репродуктивной патологии, ассоциированных с воздействием химических факторов среды обитания

4.1. Проблема врожденных пороков развития (киматопатий)...... 4.2. Влияние химических факторов риска на состояние репродуктивного здоровья женщин фертильного возраста

Глава 5. Нарушение репродуктивного здоровья и цитогенетические маркеры эффекта у работников при воздействии химических мутагенов и репротоксикантов производственной среды (на примере металлов, ароматических углеводородов, формальдегида)

5.1. Современные аспекты нарушений репродуктивного здоровья у работников в условиях воздействия химических мутагенов и репротоксикантов производственной среды

5.2. Влияние химических факторов производственной среды на репродуктивное здоровье женщин – работниц предприятий химической и металлургической промышленности

5.3. Влияние факторов производственной среды на репродуктивное здоровье женщин – работниц предприятий текстильной промышленности

Библиографический список

Table of Contents Introduction

Chapter 1. Chemical mutagens and reprotoxicants as risk factors inducing cytogenetic disorders in population

1.1. Specificity and characteristics of chemical mutagenesis................ 1.2. Induction of chromosomal abnormalities in population by chemical mutagens

1.3. Reprotoxic properties of chemical compounds

1.4. Chemical mutagens and reprotoxicants in the human and industrial environment as risk factors inducing cytogenetic abnormalities and reproductive damages.................. 1.5. Research methods in studies of mutagenic activity of chemical compounds and genetic monitoring of the human population

Chapter 2. Cytogenetic markers in detecting the effect of exposure to chemical mutagens

2.1. Aromatic hydrocarbons as risk factors inducing cytogenetic abnormalities in population

2.2. Cytogenetic indication of exposure to exogenous formaldehyde

2.3. Cytogenetic effect markers in children exposed to metals in air and drinking water

Chapter 3. Cytogenetic effect markers in exposure of the mother and the fetus to chemical mutagens and reprotoxicants

Chapter 4. Realization markers for congenital anomalies and reproductive pathologies associated with chemical exposure....... 4.1. Congenital anomalies (cenesthopahty) – scope of the problem

4.2. Reproductive health effects of chemical exposure in women of fertile age

Chapter 5. Reproductive health damages and cytogenetic effect markers in workers exposed to chemical mutagens and workplace reprotoxicants (the case study of metals, aromatic hydrocarbons and formaldehyde)

5.1. Modern aspects of reproductive abnormalities in women exposed to chemical mutagens and workplace reprotoxicants

5.2. The effect of workplace chemical hazards on reproductive health of female workers in the chemical and metallurgy industries

5.3. The effect of workplace hazards on reproductive health of female workers in the textile industry

References

Введение Основной целью государственной политики в области охраны здоровья граждан Российской Федерации являются профилактика, сохранение и укрепление здоровья, работоспособности и продление активной жизни. Достижение этой цели обусловит и снижение уровня заболеваемости и смертности населения.

Сохранение и укрепление здоровья нации требуют системного подхода к формированию профилактической среды как основы общественного здоровья. В Стратегии развития медицинской науки в Российской Федерации на период до 2025 года указывается на необходимость развития исследований в рамках задач платформы «профилактическая среда», что обусловлено продолжающимся ухудшением состояния здоровья населения Российской Федерации, происходящим под воздействием неблагоприятных факторов среды обитания (как природного характера, так и антропогенного), и увеличением распространенности экологически зависимых заболеваний неинфекционной этиологии.

По последним данным Всемирной организации здравоохранения вклад факторов окружающей среды в состояние здоровья составляет 25–30 %. Воздействие атмосферного воздуха ежегодно приводит к смерти от 200 до 570 тысяч человек, и на долю этого фактора приходится около 0,4–1,1 % всех случаев смерти в год.

По данным Организации Объединенных Наций от 25 до 33 % регистрируемых в мире заболеваний напрямую связаны с низким качеством среды обитания.

В связи с этим процессы развития и использования критически важных биомедицинских технологий и компетенций для выявления и оценки негативных последствий для здоровья, связанных с воздействием факторов среды обитания, в том числе обладающих мутагенной активностью, приобретают особую актуальность.

Своевременное и корректное выявление химических мутагенов для запрета или ограничения их использования – одна из основных задач в области гигиены окружающей среды и профилакВведение тической медицины [33, 184, 191, 192, 229]. Это важно и для прогноза канцерогенной активности факторов, поскольку положительные результаты анализа мутагенной активности химических соединений рассматривают в качестве прогностических показателей наличия у них канцерогенных свойств.

В современных популяционных токсико-генетических исследованиях интенсивно разрабатываются подходы к оценке генетического здоровья населения, находящегося в условиях экспозиции химических факторов. Такие исследования проводятся, как правило, на контингентах, имеющих контакт с генотоксикантами в условиях производства. Вместе с тем до сих пор дискутируется проблема оценки кластогенного действия промышленных загрязнений в приложении к большим группам людей, не контактирующих с генотоксикантами профессионально, но проживающих в условиях реальной мутагенной нагрузки.

В научной литературе практически отсутствуют сведения о результатах цитогенетического мониторинга генотоксических эффектов в разных группах населения крупного промышленного региона, выполненного на протяжении достаточно большого временного интервала и охватывающего локальные территории с различающимися параметрами экологического состояния среды. Очевидна необходимость создания методологических принципов регионального цитогенетического мониторинга для осуществления экспертной оценки состояния среды на основании изучения биомаркеров эффекта.

Анализ состояния и динамики токсико-генетических процессов, происходящих у населения, находящегося на территориях с промышленно-напряженной экологической ситуацией, может служить вариантом своеобразной модели при оценке комплексного влияния экстремальных условий на генотип человека и способствовать разработке принципов прогнозирования отдаленных биомедицинских последствий и управления здоровьем населения.

В рамках этого направления специалистами ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» для методического обеспечения исследований создана система высокочувствительных и сеВведение лективных методов определения в объектах среды обитания и биологических средах порядка 20 химических соединений, обладающих мутагенной активностью, в том числе металлов (никеля, хрома, марганца, кадмия, меди, свинца), ароматических углеводородов (бензола, этилбензола, стирола, крезолов, фенола), алифатических альдегидов (формальдегида), хлорорганических соединений (дихлорбромметана, дибромхлорметана, тетрахлорметана) и других соединений.

Методические разработки основаны на использовании современных физико-химических методов анализа – газовой хроматографии, высокоэффективной жидкостной хроматографии, атомно-абсорбционного анализа, масс-спектрометрии со связанной плазмой (IСP-MS), хромато-масс-спектрометрии.

В результате выполненных направленных исследований обоснованы и активно внедряются в практику гигиенических исследований и экспертиз порядка 30 цитогенетических маркеров эффекта и их критериальные уровни, отражающие развитие генетических и хромосомных нарушений в условиях устойчивой экспозиции химических факторов риска (более 30 веществ).

Имеются обоснованные прогнозы о том, что достижения клеточно-молекулярной биологии смогут полноценно сформировать базис персонализированной медицины будущего, основанной на прогностическом и профилактическом принципах, что позволит раскрыть потенциальные и адаптационные возможности организма и увеличить продолжительность активной жизни населения. Все это потребует создания новых и усовершенствования существующих социальных и правовых норм.

Авторы выражают благодарность сотрудникам Федерального бюджетного учреждения науки «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей, предоставившим материалы для подготовки настоящей монографии: д-ру биол. наук Т.С. Улановой, канд. техн. наук Д.А. Кирьянову.

Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… Глава Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска развития цитогенетических нарушений у населения Под мутагенной активностью химических факторов в настоящее время понимают способность оказывать повреждающее действие на генетические структуры организма и увеличивать частоту мутаций в соматических и половых клетках человека [234]. Первые затрагивают жизнедеятельность настоящего организма, а вторые проявляются в последующем поколении.

Мутация – внезапное изменение в наследственных структурах (ДНК, ген, хромосома, геном). Генетический материл организован в иерархию структурно-функциональных единиц – от молекулярных сайтов внутри гена до целых хромосом и геномов. Соответственно существуют разные типы мутаций: от генных до геномных.

Мутации делятся на три больших класса: генные, хромосомные, геномные.

Генная мутация – изменение последовательности нуклеотидов в определенном участке молекулы ДНК. Мутации, связанные с изменением числа хромосом в кариотипе, относят к геномным, с изменением структуры хромосом (хромосомные перестройки – делеция, дупликация, инверсия, транслокация; или аберрации) – к хромосомным. Мутации могут выражаться в нарушении количества хромосом (гиперплодия – увеличение числа хромосом и гипоплодия – потеря отдельных хромосом хромосомного набора), в их структурных аномалиях, в изменении структуры генов [221].

Показано, что мутации хромосом в половых или зародышевых клетках ведут к образованию неполных гамет, в результате которых Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… может произойти рождение детей с хромосомными аномалиями или синдромами [21, 391]. Мутации хромосом в соматических клетках способствуют образованию неспецифических хромосомных аномалий в виде хромосомных и/или хроматидных пробелов, разрывов, обменов, которые не сопровождаются определенными клиническими проявлениями. Подобные мутации не наследуются [21], но могут проявляться при воздействии на организм ребенка различных мутагенных факторов [287].

Спонтанная частота мутаций отдельных генов у человека в пересчете на один ген крайне низка и составляет около одной мутации на 100 тысяч генов. Общая частота геномных и хромосомных мутаций в соматических клетках человека составляет около 1 %, в зародышевых – около 0,5 %. Суммарно частота доминантных мутаций в популяции человека равна 1 %, рецессивных – 0,25 %, мутаций хромосом – 0,34 %. Доля людей с врожденными дефектами, которые могут проявляться в разных возрастных категориях, составляет около 10,6 % [250].

Генотоксичность – это способность различных факторов (химических, физических, биологических) оказывать повреждающее действие на генетические структуры организма (мутации).

Химические агенты инициируют последовательность событий, которая начинается с рецептора, сдерживающего или активирующего генную и протеиновую экспрессию [237].

Установлено, что мутагенной активностью обладают несколько тысяч химических соединений. Исследованиями доказано, что факторы химического происхождения на несколько порядков превышают активность физических факторов (ионизирующая радиация), часто обладают значительно более специфическим и тонким действием на структуру клетки, зависящим от природы объекта и стадии развития клетки [191]. При взаимодействии химических мутагенов с компонентами наследственных структур (ДНК и белками) возникают первичные повреждения последних. В дальнейшем эти первичные повреждения ведут к возникновению мутаций.

Способность химических веществ вызывать мутации открыта в 1932 году В.В. Сахаровым (действием йода на дрозофилы). Приоритет открытия большинства известных в настоящее время химиГ л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… ческих мутагенов, в том числе и наиболее эффективных, широко используемых во всем мире – формальдегида, уретана, этиленимина, окиси этилена, диэтилсульфата, диметилсульфата, принадлежит русскому генетику И.А. Рапопорту. Исторические эксперименты и теоретические построения по индуцированному мутагенезу значительно опередили работы по выяснению природы генетического материала хромосом. Однако после 1953 года, когда в работе Д. Уотсона и Ф. Крика было сделано предположение о двухспиральной структуре молекулы ДНК, о полуконсервативном характере репликации и о возможной молекулярной природе мутаций, открылась возможность для конкретных исследований как характера повреждений в ДНК, индуцируемых различными мутагенами, так и реальных механизмов репарации этих повреждений [81, 82].

В настоящее время список химических мутагенов насчитывает десятки веществ по числу главных функциональных центров и десятки в расчете на их производные, вместе с тем накапливаются новые сведения о тонкостях действия мутагенов, поэтому систематика их, основанная на особенностях химического строения, взаимодействия с генетическим материалом, своеобразии биологического эффекта, представляет определенные трудности [92, 353, 382, 410].

Химические мутагены делят на мутагены прямого действия (соединения, реакционная способность которых достаточна для непосредственного взаимодействия с ДНК и изменения ее химической структуры) и мутагены непрямого действия (промутагены) – вещества, которые сами по себе инертны, но претерпевают в организме метаболическую активацию, в основном в результате ферментативного окисления системой микросомных многоцелевых оксидаз. В дальнейшем эти первичные повреждения ведут к возникновению мутаций [15].

Характеризуя механизм генотоксичности, следует отметить, что некоторые химические вещества реагируют непосредственно с ДНК, большинство из них требуют метаболической активации.

В других случаях генотоксичность передается в результате взаимодействия побочных продуктов или соединений с межклеточными липидами, белками или кислородом.

Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… Бесчисленное множество химических мутагенов по-разному взаимодействуют с молекулой ДНК [155, 166]. Спектры их биологического действия различны, хотя и обнаруживают частичное перекрывание.

Мишенью действия мутагенов в клетке являются ДНК и некоторые белки. К ним относят основные белки, играющие структурную роль в организации генома или принимающие участие в репликации, рекомбинации или репарации. При взаимодействии химических мутагенов с компонентами ДНК и белками возникают первичные повреждения последних. Ряд мутагенов вызывают мутации, не связываясь ковалентно с ДНК. В этом случае матричный синтез на ДНК протекает с ошибками. В синтезируемой нити ДНК оказывается на один нуклеотид больше или меньше обычного, и возникают мутации. При действии мутагенов, ингибирующих синтез предшественников ДНК, происходит замедление или даже остановка синтеза ДНК. В этих условиях повышается вероятность того, что реакционная система клетки может пропустить отсутствующий нуклеотид либо включить вместо отсутствующего нуклеотида другой, ошибочный. Следствием обоих событий является мутация [125].

Исследованиями ряда авторов установлено, что химические мутагены инициируют последовательность событий, которые начинаются с рецептора, сдерживающего/активизирующего генную и протеиновую экспрессию. Экспрессия гена – активизация транскрипции гена, в процессе которой на смысловой нити ДНК синтезируется мРНК. Поскольку мРНК – предшественники ферментов, измерение их относительного содержания в образцах ткани или клеток, подверженных действию токсиканта, показывает потенциальное вовлечение генов в этиологию токсичности. Формирующиеся генные и хромосомные мутации при воздействии генотоксикантов не передаются по наследству, однако могут способствовать тяжелым генетическим последствиям: спонтанным абортам, развитию врожденных аномалий (пороков развития), деформаций и хромосомных нарушений, злокачественных новообразований [165, 234].

По времени действия на генетический аппарат клеток химические мутагены могут быть разделены на два типа: действующие Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… на покоящуюся ДНК и способные вызывать мутации лишь во время репликации (удвоения) ДНК [141].

Мутагены первого типа способны присоединять к азотистым основаниям и фосфатным группам в ДНК разнообразные группировки атомов. После этого либо изменяются кодирующие свойства ДНК и во время ее репликации напротив измененных оснований встраиваются неправильные основания, либо происходит разрыв остова молекул ДНК, что может, в частности, приводить к возникновению хромосомных перестроек. После действия многих мутагенов часть азотистых оснований может быть утеряна, и тогда образовавшиеся бреши могут занимать любые основания, что опять-таки приводит к нарушению смысла генетической записи. Возникшие при этом изменения проявляются в замене аминокислот в белках, строящихся под контролем поврежденного гена.

К мутагенам второго типа относятся разнообразные соединения, близкие или аналогичные по структуре азотистым основаниям, и другие вещества, соединяющиеся с ДНК и мешающие правильной ее репликации. Некоторые из них приводят к вставке в ДНК лишних оснований или выпадению из ее молекул отдельных звеньев – нуклеотидов (так называемых мутаций сдвига чтения). Наконец, известны химические мутагены, действующие главным образом во время репликации ДНК, но способные оказывать мутагенное воздействие и на покоящуюся ДНК. Воздействие таких химических соединений приводит к мощному увеличению частоты мутирования.

Среди химических мутагенов экзогенного происхождения наиболее обширен класс электрофильных алкилирующих мутагенов, к которым относят не только типичные алкилирующие агенты (диазоалканы, эфиры серной кислоты и алкансульфокислот), но и эфиры фосфорной и азотной кислот, аминоэтилирующие реагенты (2-хлорэтиламин, этиленимин и их производные), оксиэтилирующие агенты (этиленоксид и его производные) и альдегиды.

Алкилирующие агенты (alkylating agents) – это вещества, под действием которых происходит спонтанный (без участия ферментативных систем организма) перенос алкильных групп этих химиГ л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… ческих соединений на биологические макромолекулы, в том числе и ДНК. В результате происходит связываниие с молекулами ДНК и предотвращается полное отделение двух цепей молекул ДНК друг от друга в процессе деления клеток.

К этому же классу мутагенов относят N-нитрозо-N-алкиламиды карбоновых кислот, N-нитрозо-N-алкилуретаны, N-нитрозо-N-алкилмочевины, N-алкил-N-нитрозо-N'-нитрогуанидины, являющиеся, по-видимому, наиболее активными из известных мутагенов. Эти соединения сами по себе лишены алкилирующих свойств, но при их гидролитическом распаде образуются активные алкилдиазогидроксиды [131]. Основные классы алкилирующих агентов представлены в табл. 1.1.

Основные классы алкилирующих агентов Тиленимины Нитрозосоединения В структурах химических соединений, приведенных в таблице, можно выявить различия по двум признакам, роль которых в мутагенной активности алкилирующих агентов была неоднократно подтверждена экспериментально. Один из признаков относится к типу переносимых алкильных групп: метильной, этильной или более сложной. Другой отличительный признак – число алкильных групп, которые отдает одна молекула алкилирующего Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… агента. Это свойство называется функциональностью соединения.

Так, среди азотистых ипритов H2NCH2CH2Cl – монофункционален, HN(CH2CH2Cl)2 – бифункционален, а N(CH2CH2Cl)3 – трифункционален.

Главным источником мутаций, возникающих под действием алкилирующих агентов, является алкилирование O-6 в гуанине и O-4 в тимине ДНК. Другими сайтами, алкилирование которых реже приводит к мутациям, могут быть N-3 гуанина, N-1, N-3 и N- аденина, N-3 цитозина, а также N-3 и N-4 тимина. При этом спектр мутаций, возникающих под действием любого алкилирующего агента, как правило, специфичен.

Благодаря функционированию репаративных систем клетки к возникновению мутаций приводит лишь небольшая часть алкилирований ДНК. Поэтому частота реакций между алкилирующим агентом и ДНК не связана простой зависимостью с их мутагенной активностью.

В классификации, которая нашла наиболее широкое распространение, различают следующие основные группы химических мутагенов [169]:

– ингибиторы синтеза предшественников нуклеиновых кислот (ферменты, синтезирующие компоненты ДНК);

– аналоги азотистых оснований: нитро- и нитрозосоединения (азотистая кислота, нитрозоамины, нитрозоамиды);

– алкилирующие агенты (иодацетамид, изопропилбромид, диазоалканы; эфиры серной, фосфорной, азотной кислот и алкансульфокислот; 2-хлорэтиламин, этиленимин и их производные;

этиленоксид и его производные; формальдегид и его производные), из всех обнаруженных на сегодняшний день мутагенов они считаются наиболее сильными;

– окислители, восстановители, свободные радикалы (свободные формы кислорода, нитраты, нитриты);

– пестициды (гербициды, фунгициды);

– акридиновые красители (профлавин, акридиновый оранжевый).

Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… Согласно другой классификации, по происхождению химические мутагены можно разделить на три основные группы [147]:

– органические и неорганические соединения естественного происхождения (оксиды азота, нитриты, нитраты, алкалоиды и др.);

– продукты переработки природных соединений на энергоемких производствах (полициклические ароматические углеводороды, соли тяжелых металлов и др.);

– продукты химического органического синтеза, прежде не встречавшиеся в природе, а следовательно, представляющие опасность для здоровья, так как к ним не выработаны естественные эволюционные механизмы защиты: пестициды, полихлорбифенилы, некоторые лекарственные препараты.

В настоящее время установлено наличие химических мутагенов в 10 классах химических соединений. К ним относятся ароматические циклы, эфиры, галогенированные алифатические и ароматические углеводороды, нитрозамины, эфиры фталевой кислоты, некоторые фенолы, полихлорированные дифенилы и ароматические полициклы. Кроме этого, появлению хромосомных аберраций способствуют различные химические вещества, которые не являются мутагенами, но нарушают нормальную жизнедеятельность клеток (ионы тяжелых металлов, альдегиды, окислители, дисбаланс эссенциальных микроэлементов и др.), что способствует мутагенезу.

В теории повреждения ДНК в настоящее время известно несколько механизмов мутагенеза. Так, обширный класс алкилирующих соединений может производить алкилирование (присоединение метильной или этильной группы) в некоторых позициях к азотистым основаниям (чаще всего, к гуанину) или к фосфатным группам полинуклиотидной нити [20, 21, 22]. Алкилированные азотистые основания за счет гидролиза выщепляются из цепочки ДНК, вследствие чего появляются апуриновые или апиримидиновые сайты. В таких сайтах далее может идти гидролиз нестабильных дезоксирибозидных остатков, и в результате возникают однонитевые разрывы в ДНК. Разрывы могут быть и следствием гидролиза после алкилирования фосфатных групп [152, 165, 234].

Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… Бифункциональные алкилирующие соединения (серный и азотный иприт) своими двумя алкильными группами могут алкилировать сразу два гуанина из двух комплементарных нитей ДНК, образуя при этом внутримолекулярную сшивку [154].

Как видно, большинство первичных изменений в ДНК, вызываемых мутагенами, сами по себе еще не мутации, т. е. не являются изменениями в последовательности нуклеотидов. Эта последовательность может быть изменена только после прохождения поврежденной молекулы через этап репликации. Так, при репликации молекулы, в одну из нитей которой встроена молекула акридинового красителя, против этой поврежденной нити строится комплементарная ей цепочка, содержащая лишний нуклеотид, вставленный против места, где в поврежденной цепи интеркалирована молекула акридина. Такая вставка нуклеотида, закрепляющаяся в обеих нитях молекулы после еще одной репликации, – это уже мутация, обозначаемая как «сдвиг рамки считывания» (frame shift). Сшивки в молекуле ДНК обычно летальны, так как не позволяют осуществлять нормальную репликацию из-за невозможности расплетения нитей в месте сшивки [128, 239]. Однако в работах других авторов указывалось, что клетка способна к репарации повреждений в ДНК, вызванных действием мутагенов [339].

В большинстве случаев первичных повреждений после первой же репликации (если они не были репарированы до репликации) напротив них во вновь синтезированной нити ДНК появляется брешь. Установлено, что именно состояние такого разрыва в одной из комплементарных нитей ДНК и является потенциальным повреждением, которое при одних условиях может быть репарировано, а при других – превращается в двунитевый разрыв в молекуле ДНК (хроматидный разрыв) [134]. A. Bender с соавторами считают, что при разрыве в одной из нитей двунитевой молекулы ДНК неповрежденная нить может разрезаться напротив разрыва ДНК-азой, специфичной для однонитевой ДНК [273, 275]. Полагается, что такой механизм материализует идею резонансного мутагенеза, перенося повреждения с поврежденной нити на неповрежденную.

Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… По мнению других авторов, обменные перестройки при воздействии самыми разными мутагенами возникают благодаря одному и тому же механизму, характеризующемуся воссоединением концов появляющихся разрывов [229]. Условием этого является тесная пространственная ассоциация между участками хроматид одной хромосомы или разных хромосом. При наличии такой ассоциации возникающие в хроматидах разрывы воссоединяются подобно тому, как это происходит при кроссинговере [33].

Разные исследователи неоднократно обращали внимание на сходство между процессом кроссинговера и образованием обменных перестроек при контакте хроматид. Впервые такую мысль высказали А.С. Серебровский и Н.П. Дубинин (1929), а затем «Обменную гипотезу» о механизме возникновения перестроек предложил С. Ривелл (1955, 1974) [81]. Результаты, полученные И.Я. Беляевым и А.П. Акифьевым (1988), свидетельствуют о плодотворности сопоставления этих двух процессов.

Ассоциации между участками хроматид одной хромосомы или разных хромосом могут устанавливаться между районами хромосом, содержащими высокоповторяющиеся последовательности ДНК. Такие последовательности сосредоточены в гетерохроматиновых районах хромосом – в прицентромерном и интерколярном структурном гетерохроматине. Именно для гетерохроматиновых районов неоднократно описаны цитологически наблюдаемые ассоциации негомологичных хромосом.

Образование хромосомных аберраций возможно не только на основе рекомбинации в районах локализации высокоповторяющихся не кодирующих последовательностей ДНК, но и на основе рекомбинации между повторяющимися генами, при наличии дубликаций в геноме [233]. Также основой для возникновения хромосомных перестроек по рекомбинационному механизму может быть присутствие в геноме значительного числа копий различных мобильных элементов [224].

Хромосомные аберрации, индуцированные химическими факторами, возникают почти исключительно в S-фазе, независимо от того, на какой стадии цикла клетка подвергалась воздействию, т.е. большинство аберраций будет хроматидного типа [203].

Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… Среди наиболее распространенных химических мутагенов в объектах окружающей и производственной среды выделяют следующие:

свинец и его соединения оказывают прямое генотоксическое и мутагенное действие в токсических дозах [45, 55, 294]. Свинец способен индуцировать хромосомные аберрации, микроядра и нарушение сестринского хроматидного обмена в клетках периферической крови [395]. Отмечена способность свинца, обладающего большим сродством к электрону, блокировать поступление в клетку кальция на рубеже внешней клеточной мембраны. Ингибирующее действие на процесс синтеза ДНК и РНК объясняется подавлением им активности полимераз [244];

марганец (Mn2+) является слабым мутагеном, но эти свойства значительно актуализируются в процессах коканцерогенеза, индуцированного алифатическими и ароматическими соединениями [21, 294];

хром (Cr6+) способен вызывать значительные изменения в хроматидах при хроническом воздействии, что свидетельствует о его мутагенности и канцерогенности, причем механизм генотоксического действия связан с процессами подавления стабильности синтеза ДНК и активацией оксидативного повреждения ДНК и апоптоза [56, 206, 250, 294, 355]. Цитогенетические изменения в клеточных культурах, такие как повышенная частота хромосомных разрывов и микроядра, позволяют предположить, что они связаны с двунитевыми разрывами ДНК, образующимися при механизме, зависимом от клеточной репликации в G2-фазе клеточного цикла. Последние данные свидетельствуют об участии рассогласования репарации ДНК в формировании двунитевых разрывов. Так, мутагенные аддукты аскорбат-хром-ДНК приводят к ошибкам ремонта двунитевых разрывов через негомологичное конечное присоединение [331];

хром (Cr3+) способен оказывать мутагенное воздействие на клетки млекопитающих. Приводит к изменениям со стороны соматических и зародышевых клеток, проявляющимся в виде внутрихромосомных структурных перестроек (сестринские хроматидные обмены) и хромосомных аберраций [304, 367]. ГенотоксичГ л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… ность Cr3+ доказана также в опытах на тест-системах [280] и в нарушениях процессов репликации ДНК [378], выполненных in vitro;

никель (Ni2+) – соединения никеля обычно не влияют на частоту хромосомных аберраций в лимфоцитах человека, клетках костного мозга мышей, но увеличивают частоту появления микроядер [75]. Генотоксический эффект реализуется в основном на клеточном и субклеточном уровнях в виде индукции свободнорадикальных процессов и разрывов ДНК, изменяя химические свойства РНК и нуклеопротеидов при комплексообразовании; может вызвать мутацию Rb-гена, что приводит к клонированию мутировавшего гена [75, 350]. Растворимые и плохо растворимые в воде соединения никеля вызывают разрывы ДНК и образование ДНК-белковых связей, повышение частоты обмена сестринских хроматид и хромосомные аберрации, которые наиболее ярко выражены в гетерохроматиновых участках хромосом. Образование микроядер связано с анеугенным и кластогенным действиями соединений никеля. Увеличение частоты хромосомных аберраций наблюдалось в некоторых исследованиях в никельэкспонированных лимфоцитах [331];

кадмий (Cd2+) и его соединения являются генотоксичными, индуцируют хромосомные аберрации в лимфоцитах человека.

Наибольшей мутагенной активностью обладают цианидные комплексы кадмия [45, 185, 223]. Согласно экспериментальным данным, соли кадмия вызывают повышение частоты микроядер и хромосомных аберраций. В клетках млекопитающих in vitro соединения кадмия вызывают разрывы ДНК и хромосомные аберрации и являются слабыми мутагенами, в то время как большинство бактериальных анализов показали, что соединения кадмия не обладают мутагенными свойствами. Растворимые и нерастворимые соединения кадмия, как правило, дают сопоставимые результаты в тестах генотоксичности при параллельных испытаниях. Поскольку соли кадмия не вызывают повреждения ДНК в клеточных экстрактах, генотоксичность кадмия должна быть объяснена косвенными механизмами. Часто обсуждаются механизмы, связанные с окислительным стрессом, ингибированием ДНК-репарационных систем, влиянием на клеточную пролиферацию и на функции супрессоров опухолей [331, 381];

Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… цинк (Zn2+) – в концентрациях, значительно превышающих физиологические уровни (более 200 мг/дм3), выступает в качестве комутагена и коканцерогена, в концентрациях на уровне физиологического оптимума (7 мг/дм3) Zn2+ обеспечивает стабилизацию генома и подавляет канцерогенное и мутагенное действие органических и неорганических соединений, в концентрациях ниже физиологического оптимума (менее 7 мг/дм3) усиливает репротоксичность химических веществ [45, 348];

медь (Cu2+) – дефицит вызывает усиление перекисного окисления липидов и нарушение защиты цитоплазматических мембран от воздействия свободнорадикальных продуктов вследствие гипосинтеза церулоплазмина – «экстраклеточной супероксиддисмутазы», что проявляется развитием генотоксичного синдрома (иммунодефицит и возрастание частоты спонтанного опухолеобразования). В целом физиологические концентрации меди способствуют стабилизации генома. Экспозиция повышенными дозами меди (более 1 ммоль) вызывает абберации митоза, что имеет опасные последствия для генома клеток [31, 43, 45];

дихлорбромметан (СНСlВr), дибромхлорметан (CHBr2Cl), тетрахлорметан (CCl4) обладают мутагенными свойствами [45, 296].

Дихлорбромметан вызывает хромосомные аберрации в культивируемых клетках млекопитающих, обмен сестринских хроматид в культурах клеток человека [332];

бензол (С6Н6) – мутагенная активность является одним из свойств, обусловивших возможность эмбриотоксического действия бензола, и играет определенную роль в генезе изменений системы крови [50, 340]. Бензол вызывает серьёзное повреждение ДНК в митохондрии, такое, что они полностью инактивируют её, тем самым вызывая сбой в работе клетки. Бензол вызывает повреждение клеток, образуя соединения с белками и ДНК и продуцируя реактивные формы кислорода, формирующие нестабильность ДНК и генома [185]. При хроническом воздействии бензол и/или его метаболиты в основном вызывают хромосомные аберрации в лимфоцитах периферической крови и костного мозга [393];

толуол (C6H5-CH3), ксилол (C6H4-(СН3)2) обладают мутагенной активностью – способны изменить качественную или коГ л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… личественную характеристику генотипа (структуру отдельных генов, хромосом, их число) [200, 296]. Репродуктивная токсичность данных соединений наблюдается у экспонированных людей и экспериментальных животных (крыс). Цитогенетические исследования населения, подверженного профессиональному воздействию, показали увеличение хромосомных аберраций, наличие микроядер и разрывы ДНК [333];

стирол (C8H8) обладает эмбриотоксичным эффектом, а его метаболит, окись стирола, является мутагеном и реагирует с микросомами, белками и нуклеиновой кислотой клеток, вызывает хромосомные аберрации в соматических клетках лимфоцитов периферической крови [186, 230];

формальдегид (CH2O) – мутагенный эффект обусловлен прямым повреждением молекул ДНК и ингибированием ее репарации в результате реакции формальдегида с аденозином [98, 125, 379, 380]. Результаты эпидемиологических исследований, оценивающих прямой или косвенный репротоксический эффект воздействия формальдегида, показали рост числа спонтанных абортов, врожденных пороков развития, бесплодия и эндометриоза среди женщин, имевших профессиональный контакт с формальдегидом [335, 358, 376];

бенз(а)пирен (C20H12) – мутагенная активность обусловлена способностью за счет гидроксилирования одного из колец превращаться в реакционно-способный эпоксид, который алкилирует аминогруппу гуанина и других азотистых оснований и тем самым образует стойкие молекулярные комплексы с молекулой ДНК, что приводит к ее модификации [127];

окислы азота (III, V) (N2O3, N2O5), азотистая кислота (HNO2) и гидроксиламин (NH2OH) – мутагенный эффект обусловлен дезаминированием азотистых оснований в молекуле ДНК, т. е. превращением гуанина до ксантина, аденина до гипоксантина, а цитозина до урацила. В ДНК спаривание урацила с аденином приводит к транзициям GC->AT, гипоксантин вызывает обратную транзицию AT->GC, ксантин же не спаривается ни с одним из пиримидинов ДНК, и его включение оказывается летальным для клетки [127];

Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… алкилирующие соединения (циклофосфамид – C7H15Cl2N2O2P, цисплатин – Cl2H6N2Pt) – мутагенность обусловлена наличием двух реакционноспособных группировок, которые в двунитевой ДНК образуют внутри- и межмолекулярные мостики, что приводит к изгибу двойной спирали ДНК [127]. Комплексы платины с цисрасположением атомов галогенов могут образовывать устойчивые хелаты с пуриновыми и пиримидиновыми компонентами молекулы нуклеиновых кислот и таким путем формировать связи (блокирование) внутри одной нити или параллельных нитей двойной спирали ДНК;

метилнитрозамины – мутагенная активность связана с образованием при распаде реакционноспособного метилкатиона (СН3-), который метилирует группы ОН– и NH2– в молекуле ДНК [127];

5-бромдезоксиуридин (C9H11BrN2O5) и 2-аминопурин (C5H5N5) являются сильными мутагенами. Спаривание с аденином 5-бромдезоксиуридина, обычно включающегося в ДНК вместо цитозина, приводит к образованию транзиций GC->AT. Обратные транзиции AT->GC возникают под действием 2-аминопурина;

диоксины («прародитель всего семейства»: 2,3,7,8-тетрахлор-одибензо-п-диоксин, или 2,3,7,8-TCDD – C12H4Cl4O2) действуют через систему Аh-R-рецепторов. Не являясь генотоксичным канцерогеном в прямом смысле, диоксин тем не менее способен вызывать у человека хромосомную нестабильность, в частности, вероятна повышенная частота хромосомных мутаций и врожденных пороков развития из-за специфического действия диоксина на генетический аппарат половых клеток и клеток эмбриона [74, 93, 95]. Мутагенное действие диоксинов при ингаляционном поступлении проявляется в виде увеличения частоты регистрации эпителиальных клеток с микроядрами и ядерными аномалиями, доли клеток с кариопикнозом и кариорексисом в слизистой щеки женщин, проживающих в зоне с диоксиновой нагрузкой [96, 262];

фенол (C6H6O), крезол (C7H8O) и его производные (4,6-Ди-трет-бутил-п-крезол – C15H24O) обладают мутагенной активностью, которая проявляется в виде сестринских хроматидных изменений и хромосомных нарушений в лимфоцитах крови человека [291].

Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… Некоторые химические вещества способны вызывать мутации лишь тех клеток, которые находятся в определенной фазе цикла, это так называемые циклоспецифичные вещества. Другие действуют на генетический аппарат независимо от того, в каком периоде клеточного цикла находится клетка (циклонеспецифичные).

Такая особенность определяется механизмом токсического действия веществ. К числу циклонеспецифичных принадлежат мутагены, способные вызывать химическое повреждение ДНК (алкилирующие агенты и химические модификаторы нуклеотидов). Все остальные мутагены являются циклоспецифичными.

Неблагоприятные эффекты мутагенеза определяются также и тем, в клетках какого типа он реализуется: половых или соматических, стволовых и делящихся или созревающих и зрелых. Результатами грубых мутаций половых и делящихся клеток развивающегося плода являются: стерильность особи, врожденная патология у потомства, тератогенез, гибель плода. Мутации стволовых и делящихся соматических клеток сопровождаются структурно-функциональными нарушениями тканей с непрерывной физиологической регенерацией (система крови, иммунная система, эпителиальные ткани) и канцерогенезом. Повреждение токсикантом ДНК зрелой соматической клетки не приводит к пагубным последствиям для организма.

Наиболее активными мутагенами являются формальдегид, никель и его соединения. Индекс мутационной активности данных соединений составляет 7–15 % [220]. Известно, что хром, кадмий проявляют синергизм в реализации геноповреждающего действия [237]. Существует представление, согласно которому проникновение в организм даже единственной молекулы генотоксиканта (в отличие от токсикантов с иным механизмом токсического действия) может привести к пагубным последствиям. Дело в том, что химическое повреждение единичной молекулы ДНК в единичной клетке макроорганизма при стечении обстоятельств может стать причиной образования целого клона клеток с измененным геномом. Вероятность такого события бесконечно мала, но теоретически возможна. Такой характер действия веществ на биосистемы называется беспороговым.

Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… Классификация опасности химических веществ, вызывающих необратимые изменения количества и структуры генетического материала в клетке, которые проявляются в изменении наследственных свойств организма, передающиеся потомству, составлена в соответствии с ГОСТ Р 53856-2010 «Классификация опасности химической продукции. Общие требования», Техническим регламентом Таможенного союза «О безопасности химической продукции» (ТР 00_/201_/ТС) и Техническим регламентом ЕврАзЭС «О безопасности химической продукции» (ТР 00_/201_/ЕврАзЭС).

Вышеуказанные документы разработаны с учетом рекомендации «Согласованной на глобальном уровне системы классификации и маркировки химических веществ (СГС (GHS))» в части установления единых правил и критериев классификации химической продукции по опасным свойствам. Классификация химических веществ, вызывающих мутации генов (мутагены) по опасным свойствам, представлена в табл. 1.2.

Конечный патологический эффект зависит не только от специфики мутагенного воздействия, но и от генотипических особенностей метаболизма организма. В связи с этим детектирование полиморфных геномных систем (молчащих генов) и возможных факторов, провоцирующих их патологическое проявление, приобретает особое значение [31, 218]. Именно в попытке определить механизмы различной индивидуальной химической чувствительности к отдельным мутагенам и состоят экогенетические аспекты мутагенеза.

В связи с этим поиск и использование различных информативных методов и подходов для расширения доказательной базы в системе причинно-следственных связей «окружающая среда – здоровье населения», а также оценка степени генотоксичности химических факторов внешней среды приобретают в настоящее время особую значимость.

Вредное генетическое действие химических веществ трудноуловимо – попытки оценить генетическую опасность химических веществ, находящихся в объектах среды обитания, наталкиваются на очень серьезные трудности [232, 252, 287]. Химические мутагены проходят через метаболическую систему организма и самыми Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… Классы опасности химических веществ, вызывающих мутации генов (мутагены), по опасным свойствам 1-й класс Подкласс 1А Достаточные доказательства мутагенности зывающая на- Подкласс 1В Ограниченные доказательства мутагенности следуемые му- для человека (наличие мутаций в соматичетации в зароды- ских клетках) в сочетании с достаточными шевых клетках доказательствами мутагенности для млекопичеловека тающих (дозозависимая мутагенность в рамках стандартных протоколов исследований 2-й класс Доказательства мутагенности для человека по Химическая продукция, кото- эпидемиологическим данным варьируются от рая может вызывать наследст- почти достаточных до полного их отсутствия венные мутации в зародыше- при наличии достаточных доказательств мувых клетках тагенности для млекопитающих стандартных лабораторных генетических объектах (не млекопитающие, культуры клеток исследуемой продукции в биологические среды организма (in vitro)) и/или воспроизводимые позитивные результаты на млекопитающих в дозе, равной максимально переносимой непредсказуемыми путями превращаются в другие соединения.

При этом они могут потерять свою мутагенную активность, а могут приобрести такие мутагенные свойства, которые отсутствовали у исходного соединения. Не меньшую опасность представляют немутагенные химические вещества, которые, включившись в метаболизм, превращаются в мутагены [1]. Другие трудности связаны с поглощением, распределением по разным системам и органам Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… и выделением или, если выделение невозможно, накоплением этих веществ [1, 46, 402, 403].

Ксенобиотики могут проявлять узкую специфичность в отношении организмов и даже клеток одного и того же организма (впервые идея о специфичности действия мутагенов была сформулирована И.А. Рапопортом). Химические агенты, которые проявляют мутагенные свойства при использовании тест-объекта в эксперименте, не обязательно окажутся мутагенными для человека. И наоборот, вещества, не вызывающие мутации в контрольных опытах, могут вызывать их после метаболических превращений [19].

Обязательно необходимо учитывать комбинированное действие мутагенов (это не просто суммарный эффект в их действии). Иногда при комбинированном действии наблюдается изменение спектра мутаций, причем каждый мутаген в отдельности не обладает способностью к индукции мутаций определенного типа [173].

Другая трудность связана с кривыми «доза – эффект». Для химических мутагенов, действующих внутри клетки или организма, кривые «доза – эффект» не выражают линейной зависимости;

они могут иметь резкий подъем или быть более пологими, а иногда бывают двух- или полифазными. Для мутагенного действия некоторых химических веществ характерно наличие порога: при концентрации ниже некоторой определенной величины они не вызывают мутаций [19, 365]. До сих пор не выяснена специфика действия малых и острых доз. Имеются данные, что малые дозы в пересчете на единицу энергии более эффективны в сравнении с острыми дозами [84].

Последствия повреждения ДНК зависят от дозы токсиканта.

Высокие дозы вызывают цитостатический эффект (гибель пула делящихся клеток), дистрофические изменения в клетке, более низкие – канцерогенное, тератогенное действие.

Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… 1.2. Хромосомные нарушения у населения в условиях воздействия химических мутагенов В последние 10–15 лет появилось достаточное количество исследований, посвященных изучению уровня хромосомных аберраций у проживающих на загрязненных территориях. Причем установлено, что превышение этого показателя, как правило, коррелировало со степенью выраженности загрязнения объектов сред обитания (атмосферного воздуха, питьевой воды) [192, 197]. Более того, анализ динамики уровня хромосомных аберраций на протяжении 10 лет позволил установить его возрастание у представителей населения регионов, загрязненных промышленными выбросами [94].

Установлено, что наиболее респирабельные фракции частиц, загрязняющих атмосферный воздух в городах, размером менее 10 мкм обладают генотоксической активностью, способствуют повышению уровня ДНК-аддукторов и вызывают хромосомные повреждения [58]. Имеющиеся данные подтверждают описанную в литературе тенденцию и свидетельствуют о мощном генотоксическом прессинге химических факторов среды обитания на женщин репродуктивного возраста. Хромосомные нарушения, возникающие в соматических клетках, могут служить отражением процессов, происходящих в половых клетках человека. По расчетам Н.П. Бочкова, повышение уровня мутаций у одного человека в два раза увеличивает вероятность рождения у него ребенка с наследственным дефектом на 10 %, что указывает на реальную возможность угрозы генетических последствий загрязнения объектов среды обитания мутагенными веществами [58].

Особую опасность представляет возрастание уровня повреждений хромосом у женщин репродуктивного возраста. Мутации в половых клетках приводят к повышению частоты наследственной патологии. Мутации в клетках эмбриона ведут к снижению приспособленности будущего ребенка, повышению частоты врожденных пороков развития, гибели эмбриона, задержке внутриутробного развития. Мутации в соматических клетках повышают частоту возникновения злокачественных новообразований, нарушают иммунитет, обусловливают преждевременное старение [31].

Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… Выявлена зависимость изменений хромосомного аппарата как у взрослого, так и у детского населения от уровня содержания в крови химических веществ, обладающих мутагенными свойствами. Установлено, что у детей с повышенным содержанием в крови формальдегида, бензола, марганца, хрома, свинца частота встречаемости полиморфных изменений в 5,4 раза превышает средние популяционные показатели. Вклад химических веществ, обладающих мутагенной активностью, в формирование хромосомных изменений по типу полиморфных составляет 10–28 % [174].

Например, повышенная частота метафаз со структурными нарушениями хромосом у женщин и мужчин в возрасте 18–50 лет, не занятых на промышленных предприятиях, выявлена в ходе генетического мониторинга населения Кузбасса. На основании проведенного цитогенетического анализа установлено, что средняя частота хромосомных аберраций составила 3,6±0,5 % [79, 150], что значимо превышает значения, полученные в Медико-генетическом научном центре (МГНЦ) РАМН группой академика Н.П. Бочкова.

Согласно их данным, средняя частота аберрантных метафаз в группах европейского базисного контроля составляет 2,6 % [29]. Качественный спектр хромосомных повреждений в изученной выборке женщин Кузбасса представлен аберрациями хроматидного (одиночные фрагменты и хроматидные обмены) и хромосомного (парные фрагменты, хромосомные обмены) типов. Чаще всего встречались аберрации хроматидного типа, а именно одиночные фрагменты.

Сопоставление частот хромосомных аберраций в кузбасской и московской базах данных позволило установить, что увеличение общей частоты аберрантных метафаз в кузбасской выборке достигается за счет разрывных аберраций как хроматидного (2,8 и 1,7 % для хроматидных фрагментов), так и хромосомного (0,9 и 0,7 % для парных фрагментов) типов. Напротив, в отношении хроматидных обменов наблюдается обратная тенденция: их средняя частота в кузбасской базе данных определенно ниже, чем в когорте сравнения, – 0,02 и 0,99 % соответственно (табл. 1.3).

Повышенная частота и особенности хромосомных аберраций, выявленные в ходе цитогенетического обследования взрослого населения фертильного возраста Республики Башкортостан Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… Частота различных типов хромосомных аберраций в кузбасской и московской базах данных Дицентрики с парными фрагментами, % (г. Стерлитамак) (1997–2006 гг.), проживающего в условиях влияния эмиссий в атмосферный воздух комплекса предприятий химического и нефтехимического органического синтеза, свидетельствуют о наличии в данном регионе долговременного генотоксического воздействия на организм человека, обусловленного химическими мутагенами [62]. Частота хромосомных аберраций у контрольных доноров и в выборках условно здоровых лиц (табл. 1.4) достоверно различалась между группами в разные годы исследования, при этом превышение значений базового контроля составляло 1,3–1,6 раза.

Следует отметить, что частота хромосомных аберраций в 100 клетках в группе сравнения составила 3,13±0,35, что значительно превышает уровень в базовых контрольных выборках – 2,02±0,21 % [319]; 2,49±0,15 % [29].

Распределение хромосомных аномалий в изученных выборках представлено смещением в сторону увеличения доли аберрантных клеток моды распределения в группах условно здоровых лиц, т.е. повышение уровня хромосомных аберраций в этих группах произошло в результате увеличения числа лиц, имеющих высокий уровень цитогенетической нестабильности, – от 47,0 до 49,5 %; в контрольной группе аналогичная доля составила 14,7 %.

Хромосомные аномалии в когорте условно здоровых обследованных Г л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… Средняя частота и пределы вариации хромосомных аберраций у условно здорового населения фертильного возраста промышленно развитой территории Республики Башкортостан Примечание: * – достоверные различия с контролем (р < 0,05).

лиц характеризуются хроматидным (одиночные фрагменты) и хромосомным типами (парные фрагменты), соотношение которых варьировалось от 1:3,1 до 1:3,9 при норме (спонтанный мутагенез) 2:1 [29].

Спектр аберраций позволяет в определенной мере судить о природе ведущего кластогенного фактора. Формирование аберраций хромосомного типа обычно связывают с лучевой компонентой воздействия, а повышение частоты аберраций хроматидного типа (как в данном исследовании) характерно для химического и вирусного мутагенеза [33]. Превалирование аномалий хромосомного типа у обследованных лиц свидетельствует о преимущественном воздействии ионизирующей радиации, источников которой на изученной территории не установлено [62].

Частота хромосомных нарушений в клетках периферической крови (4,91–5,84 %) у населения в условиях внешнесредовой экспозиции диоксинов (г. Чапаевск, Серпухов) вдвое превышает среднепопуляционный уровень генетических нарушений у населения России [95, 198, 218].

Частота хромосомных аберраций у населения с нарушением репродуктивной системы в условиях экспозиции металлов, источниками которых являются предприятия цветной металлургии (Республика Северная Осетия – Алания), составила 52,5 %, тогда как в группе сравнения показатель составил 36 %. Спектр хромосомных аберраций характеризуется изменением частот отдельных тиГ л а в а 1. Химические мутагены и репротоксиканты как факторы риска… пов аберраций: одиночные фрагменты – 1,8 % в обследуемой выборке (1,6 % в контрольной группе), хроматидные обмены – 0,1 % (0,05 % в контроле), парные фрагменты – 1,0 % (0,28 % в контроле), хромосомные обмены – 1,1 % (0,64 % в контроле). Выявлено значимое превышение числа клеток, содержащих более 1 хромосомной аберрации [251].

Доля аберрантных метафаз у детей-подростков, подвергающихся экспозиции ряда металлов (как мальчиков, так и девочек)