Законодательства большинства стран предусматривают обязательное изучение на канцерогенность всех таких новых веществ, попадающих в среду обитания человека. Обычно эти исследования проводятся на животных — крысах, мышах. Существуют методы, позволяющие определять, не обладает ли то или иное соединение канцерогенными свойствами. Однако охватить такой проверкой все новые химические продукты сейчас уже невозможно. Дело в том, что подобные эксперименты занимают, как правило, по 2—3 года и требуют чрезвычайно больших затрат. Например, в США испытание на канцерогенность лишь одного соединения обходится в 300 000 долларов. Поэтому одна из важнейших проблем современной онкологии — поиск новых методов выявления канцерогенов и оценки их опасности, методов чувствительных, быстрых и экономичных. Один из самых перспективных подобных методов — так называемый бактериальный мутагенный тест, который разработал 15 лет назад микробиолог из Калифорнийского университета Брюс Эймс.

            Еще в начале XX века появилась мутационная теория происхождения опухолей,   которая   в   последние   годы   получила новые весомые доказательства и приобрела многочисленных сторонников среди онкологов. Конечно, злокачественное перерождение клетки — процесс многоступенчатый и сложный. Тем не менее можно с большой долей уверенности считать, что по крайней мере начальные события на молекулярном уровне, ведущие впоследствии к раку, имеют в своей основе мутации — передающиеся по наследству повреждения ДНК. Это могут быть или изменения числа хромосом в клетке, или изменения числа и порядка расположения генов (такие изменения возникают в результате выпадения или, наоборот, повторения отдельных генов, перестановки отдельных участков хромосомы, обмена фрагментами между разными хромосомами), или, наконец, внутригенные изменения, называемые также генными или точковыми мутациями, —  замена пар нуклеотидных оснований ДНК или сдвиг «рамки считывания», то есть изменение порядка транскрипции наследственной информации. Именно точковые мутации — наиболее тонкие и чаще всего совместимые с жизнью, то есть не ставящие под угрозу основные механизмы жизнедеятельности клетки, и привлекают особое внимание исследователей, работающих в области молекулярной онкологии.

            Какие именно изменения наследственного аппарата клетки приводят к раку, до сих пор еще окончательно неясно. Однако сам факт мутагенного действия того или иного вещества, в чем бы оно ни проявлялось, служит достаточным основанием заподозрить наличие у него и канцерогенных свойств.

            Существуют     различные   методы, позволяющие обнаруживать мутации, вызываемые внешними факторами в отдельных клетках млекопитающих, дрожжей, плесневых грибков, плодовой мушки дрозофилы. Но чаще всего для этого используются   бактерии   из   рода   сальмонелл — Salmonella typhimurium, которые имеют относительно небольшой, хорошо изученный геном, чрезвычайно быстро размножаются и дают возможность изучать генные мутации различных типов. Эти бактерии и являются тест - объектом в методе Эймса.

            Встречающиеся в природе сальмонеллы — так называемый дикий тип бактерии — способны синтезировать многие необходимые для их жизнедеятельности вещества, в частности аминокислоты. Однако в тесте Эймса используется не дикий тип, а специально сконструированные штаммы - мутанты: они потеряли способность вырабатывать аминокислоту гистидин и поэтому могут расти только при добавлении этой аминокислоты в среду.

            Мутагены различной химической природы, воздействуя на такую бактерию, повреждают ее относительно небольшой геном. Если при этом оказывается затронутым тот участок ДНК, который ответствен за синтез гистидина, то происходит так называемая реверсия — обратная мутация, в результате чего у бактерии восстанавливается способность расти на среде, где отсутствует гистидин. (Естественно, если мутация происходит в каком-нибудь другом гене, то обнаружить ее таким способом не удается.) В этом, собственно говоря, и состоит суть метода: мутантные штаммы бактерий подвергают действию испытуемого вещества и после этого помещают на среду, лишенную гистидина. Если хотя бы часть бактерий продолжает на такой среде расти — значит произошла реверсия, а следовательно, испытуемое вещество обладает мутагенными свойствами. Для удобства экспериментаторов и для повышения надежности результатов бактерии, используемые в этом тесте, были подвергнуты еще и нескольким дополнительным генетическим изменениям. Например, у них нарушен состав сахаридного комплекса в клеточной мембране — благодаря этому стенка бактерии становится проницаемой для крупных молекул, которые получают возможность проникать внутрь клетки и атаковать ее ДНК. Другая дополнительная мутация повреждает ген, ответственный за способность клетки «ремонтировать» свою ДНК, вырезая ее измененные участки. Наконец, недавно в эти штаммы сальмонеллы ввели еще и мутацию, которая нарушает способность клетки к исправлению повреждений ДНК в период деления.

            Таковы основные принципы теста Эймса — одного из основных современных средств скрининга химических канцерогенов. Но это только основные принципы; чтобы тест можно было эффективно использовать, его пришлось дополнить некоторыми «хитростями», без которых получить нужные результаты во многих случаях не удается.

            Представьте себе, что мы взяли тот самый специально сконструированный штамм сальмонеллы, о котором только что рассказали, подействовали на бактерию заведомо канцерогенным соединением — нитрозодиметиламином и высеяли их на среду, лишенную гистидина. Вы думаете, что бактерии тут же начнут расти, свидетельствуя тем самым о канцерогенности нитрозодиметиламина? Ничего подобного: никаких ревертантных колоний обнаружить не удастся...

            Дело в том, что подавляющее большинство соединений, контакт с которыми вызывает опухоли у лабораторных животных и человека, сами по себе вовсе не являются канцерогенными. Вещества, ответственные за их канцерогенный эффект, образуются, как правило, лишь в результате их многообразных химических превращений в организме: гидроксилирования, ацетилирования, образования соединений с глюкуроновой, фосфорной кислотами и т. д.

            Возьмем, например, тот же нитрозодиметиламин. Это простейший, хорошо изученный представитель самой многочисленной группы канцерогенов — N-нитрозоаминов, вызывающих злокачественные новообразования у различных животных, от моллюсков и рыб до обезьян. Попадая в организм, это соединение окисляется — образуется гидроксилнитрозамин. В результате его последующего расщепления появляется чрезвычайно активный продукт — метилкарбониевый катион. Он содержит электрон-дефицитный атом и поэтому связывается с имеющим избыточный электрон клеточным рецептором — нуклеотидным основанием в составе ДНК. Это и приводит к изменению генетической программы клетки, то есть к мутации. Но для этого необходимо, чтобы сначала произошли все вышеописанные превращения.

            У бактерий же, в отличие от млекопитающих, отсутствуют многие ферменты, которые играют большую роль в подобных трансформациях чужеродных веществ и превращают их в активные производные, являющиеся подлинными канцерогенами. Именно по этой причине нитрозодиметиламин не вызывает мутаций у сальмонелл, если не помочь ему превратиться в метилкарбониевый катион, способный повредить клеточную ДНК.

            Для этого пришлось разработать специальные системы активации. Например, добавляют к смеси испытуемого вещества и бактерий измельченные ткани млекопитающих,    которые   содержат   нужные ферменты, а также вещества, необходимые для их работы. Есть и другой способ активации: бактерий помещают в брюшную полость млекопитающих (чаще всего мышей), которым тем или иным способом вводят испытуемое химическое соединение. При этом его трансформация происходит в мышином организме, а на бактерии действуют образующиеся при этом активные продукты. Через некоторое время бактерий выделяют и переселяют на бедную гистидином среду, где можно обнаружить возникшие мутации.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВА     ЭФФЕКТИВНОСТИ

            На сегодняшний день мутагенному тесту подвергнуто уже более 2600 химических соединений, в том числе — для проверки — около 700 заведомо канцерогенных, вызывающих в эксперименте опухоли у животных. Предположения подтвердились: как показали результаты тестов, мутагенные и канцерогенные свойства веществ действительно тесно связаны между собой. По данным Эймса, 90% испытанных по этой методике канцерогенов оказались одновременно и мутагенами, а 87% соединений, не обладающих канцерогенными свойствами, не дали и мутагенного эффекта.

            Однако 10% заведомо канцерогенных веществ дали в пробе Эймса отрицательный результат: эти соединения не вызывали мутаций. Оказались немутагенными, в частности, ДДТ, 1,2-диметилгидразин и трихлорэтилен, канцерогенность которых для животных доказана, а также бензол и диэтилстильбэстрол, вызывающие злокачественные опухоли у человека.

            К сожалению, причины подобных отклонений изучены еще недостаточно. Тем не менее, по этому поводу можно высказать некоторые предположения. Подобные результаты могут объясняться тем, что в данном случае причиной злокачественного перерождения клеток являются не соматические мутации, а какие-то другие влияния. Не исключено также, что для таких веществ еще не найдены оптимальные способы активации, ведущей к их превращению в непосредственно канцерогенные продукты. Наконец, некоторые из этих соединений (например, хлорированные пестициды) настолько токсичны для бактерий, что те просто погибали раньше, чем у них появлялись признаки мутаций.

            С другой стороны, для 13% веществ, которые вызывают у бактерий мутации, у нас нет достаточных доказательств канцерогенного действия на животных и человека; к их числу относятся винилбромид или хлорзтанол. В этом случае возможно, что при попадании таких веществ в бактериальную клетку там возникают активные производные, которые в организме животных и человека не образуются. Может быть также, что животные клетки способны   исправлять   повреждения   ДНК, вызываемые этими соединениями, а бактериальные клетки такой способности лишены. Нужно еще иметь в виду, что экспериментальные методы доказательства канцерогенного действия того или иного вещества на животных пока еще не стопроцентно эффективны: не исключено, что те животные, на которых проверялись такие вещества, случайно оказались устойчивыми к их действию или что при этой проверке были неправильно выбраны способы введения испытуемых соединений в организм.

            По-видимому, число ошибочных результатов, получаемых с помощью мутагенного теста, будет уменьшаться по мере углубления наших знаний о механизмах канцерогенеза, конструирования новых, еще более подходящих для этой цели штаммов бактерий, а также дальнейшей разработки методики тестирования.

            Нужно сказать, что благодаря пробам на мутагенность уже сейчас удалось предсказать канцерогенные свойства многих веществ, об опасности которых для человека онкологи не догадывались. Например, еще не так давно американские фирмы поставляли в страны Латинской Америки детские пижамы и пеленки, пропитанные для предупреждения пожаров замедлителем пламени — трис(2,3-дибромпропил)-фосфатом. Первый сигнал о потенциальной вредности этого соединения был получен именно при испытании его мутагенных свойств, а вслед за тем, в ходе тщательного обследования, его канцерогенность была установлена и в эксперименте на животных.

            Другой пример. В Японии до недавнего времени широко применялся пищевой консервант АФ-2 — 2-2(фурил)-3-(5- нитро-2-фурил)-акриламид, оказавшийся при проверке по методу Эймса чрезвычайно сильным мутагеном. После этого было   выявлены   и   опухолеродные   свойства этого препарата, послужившие поводом к его повсеместному запрещению.

            Таким образом, не будет преувеличением сказать, что тест Эймса уже спас сотни, а может быть и тысячи человеческих жизней — жизней тех, кто мог бы заболеть раком в результате контакта с этими веществами.

            Однако не всегда удается полностью предотвратить контакт человека с вредными веществами, широко распространенными в окружающей среде, в быту, используемыми в производственных процессах. В таких случаях важно установить предельно допустимые дозы воздействия вредных соединений. В этом также могут помочь мутагенные тесты. Было обнаружено, например, что рабочие заводов по производству поливинилхлорида подвергаются риску заболевания опухолями печени в результате контакта с исходным мономером — винилхлоридом. На производстве и при его переработке ПВХ можно принять меры предосторожности. Но мономер может высвобождаться и из готовых изделий: пластиковых мешков, изоляционных материалов, труб, шлангов, с которыми имеют дело многочисленные потребители. Чтобы не подвергать их опасности, нужно знать, какие дозы винилхлорида безопасны для человека. Это пока неизвестно (хотя для экспериментальных животных такие данные есть). Очевидно, что тестирование мутагенных свойств винилхлорида может помочь в определении минимального допустимого уровня его воздействия. Работы в этом направлении уже ведутся.

            Способ обнаружения канцерогенных веществ с помощью мутаций у бактерий завоевывает все большее признание. Но этим возможности применения бактериальных мутагенных тестов далеко не исчерпываются.

            Например, онкологи, работающие над проблемой химической профилактики рака, могут отбирать препараты, снижающие вероятность заболевания, по их способности предотвращать мутагенез у бактерий: известно, что такие различные вещества, как соли селена, аскорбиновая кислота и антабус (известное средство лечения алкоголизма), тормозят мутации у бактерий и в то же время заметно снижают частоту опухолей у экспериментальных животных.

            Другое важное направление в онкологии, где могут быть с успехом применены бактериальные мутагенные пробы,— изучение превращений, которые претерпевают в организме различные химические соединения, и в первую очередь — тех превращений, которые приводят к образованию активных производных, вызывающих рак. Так, автору этих строк в сотрудничестве с коллегами из Международного агентства по изучению рака удалось, используя различные варианты теста Эймса, не только доказать мутагенные свойства новой группы химических канцерогенов — N-нитраминов, но и выяснить основные пути их метаболизма, сравнивая мутагенную активность их предполагаемых производных. Аналогичным способом был изучен метаболизм и упомянутого выше винилхлорида.

            Неоценимую услугу могут оказать бактериальные мутагенные тесты еще одному новому направлению онкологии — экспериментальной эпидемиологии опухолей. Дело в том, что у некоторых людей связанных с профессиональными химическими вредностями, принимающих определенные лекарственные препараты иле имеющих специфические особенности питания, в крови и в выделениях организма обнаруживаются мутагенные соединения. Например, в моче и слюне курильщиков выявлены вещества, вызывающие мутации у бактерий и одновременно, кап показали эксперименты, обладающие канцерогенными свойствами (к сведению читателей — приверженцев табака заметим, что мутагенная активность этих соединений зависит от числа выкуриваемых сигарет и от стажа курения). В слизистой оболочке желудка и кишечника людей, прооперированных по поводу опухолей желудочно-кишечного тракта, также найдены мутагенные вещества. В обоих этих случаях исследователе шли, так сказать, от известного — они знали, что наличие таких веществ связано с курением или с заболеванием раком. Но возможен и другой подход: если обнаружено, что у какой-то группы населения слюна или моча обладают повышенной способностью вызывать мутации у бактерий, это может означать, что данная группа людей находится в контакте с каким-то пока неизвестным вредным веществом и подвержена повышенному риску заболеть раком. В этом случае онкологи должны начать поиски источника опасности и принять нужные профилактические меры. Все сказанное свидетельствует об огромных возможностях бактериальных мутагенных тестов, которые, помогая выявлять канцерогены в окружающей среде, игреки важную роль в борьбе с одним из опаснейших заболеваний — злокачественными опухолями.

            В разных странах мира воздвигнуть памятники экспериментальным животным. В  Колтушах, под Ленинградом, стоит памятник собаке, в Париже и Токио — лягушке. Может быть, настало время поставить памятник и микроорганизмам, которые нередко оказывают неоценимые услуги человечеству. И пусть на нем будет написано: «Бактериям — от признательной науки»...

Химия и Жизнь №2, 1983