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.

Глава 15. Стойкие органические загрязнители и «Безмолвная весна».

Мы опрыскали наши вязы, и настала безмолвная весна. Малиновки больше не пели – не потому, что мы обработали малиновок, а потому, что яд добрался до них шаг за шагом по знакомому всем пути: от листьев вяза к земляным червям и затем к птицам. Рэйчел Карсон. Безмолвная весна.

Пока американское законодательство в области безопасности пищевых продуктов и лекарств шаг за шагом, закон за законом, двигалось вперед, экологическому движению еще только предстояло развернуться. Границы США окончательно установились в 1890 г., и до этого времени и еще достаточно долго после него огромная территория страны не давала повода задуматься о возможности панконтинентального загрязнения. На пороге XX в. звучали лишь отдельные голоса энтузиастов, радеющих о дикой природе, в том числе президента Теодора Рузвельта, его главного советника Гиффорда Пинчота и Джона Мьюра, основателя Sierra Club. Йеллоустонский национальный парк – первый в стране – был основан всего за 28 лет до начала ХХ в., в 1872 г. До осознания того, что какие-либо химические вещества могут так изменить среду, что это повлияет на весь североамериканский континент, оставалось еще не одно десятилетие. Даже после официального закрытия западной границы огромные просторы казались бесконечными.

Так же как и в области безопасности пищевых продуктов и лекарств, поворотным моментом для экологического движения стала Вторая мировая война. Промышленная мобилизация в годы войны повлияла на производство не только лекарств, например пенициллина, но и на производство пестицидов, в частности ДДТ, о чем уже говорилось выше. По окончанию войны рост производства хлорорганических пестицидов продолжался практически бесконтрольно.

В начале 1960-х гг. морской биолог Рэйчел Карсон начала писать «Безмолвную весну», которая теперь считается книгой, давшей толчок экологическому движению. Карсон создавала ее в весьма неспокойной социальной и политической обстановке. В послевоенный период американцев все больше волновали проблемы радиации, рака и перспективы ядерной войны. Атомные бомбы, которые США сбросили на Японию, и неизбежные случаи рака, вызванные облучением, а также угроза войны с Советским Союзом оказали очень сильное влияние на психику американских граждан. Рэйчел Карсон это понимала, и в своей книге связала страх перед радиацией с проблемой чрезмерного использования пестицидов. Весьма примечательно, что в книге, посвященной химическому загрязнению, слово «радиация» появляется не менее 50 раз, а слово «рак» – более 110. «Безмолвная весна» обратилась к общественной тревоге, связанной с радиационным загрязнением, и направила ее на проблему повсеместного использования пестицидов.

Карсон обращает особое внимание на три хлорорганических вещества: ДДТ, альдрин и дильдрин. Эти пестициды являются представителями группы токсичных веществ, получивших название стойких органических загрязнителей, или СОЗ. СОЗ липофильны и устойчивы к биотрансформации; в природе они задерживаются в липидных средах, в первую очередь в органических водных отложениях или в самих организмах. Попав в организм, СОЗ обычно аккумулируются в жировой ткани, где могут сохраняться без изменений долгое время. Когда такой организм становится частью пищевой цепи и его съедает другое животное, происходит биоаккумуляция СОЗ. В результате в тканях крупных хищников, например орлов или скоп, птиц, которые занимают высшее положение во многих водных пищевых цепях, эти вещества накапливаются в очень высокой концентрации. Именно снижение численности популяций этих прекрасных птиц привлекло внимание Рэйчел Карсон и многих других. В конечном итоге полное исчезновение хищников стало главной проблемой расцветшего в 1960-х гг. экологического движения. Подобно ранним эпидемиологическим исследованиям Персиваля Потта и других ученых, экотоксикология родилась благодаря очевидному задокументированному событию – исчезновению крупных хищных птиц.

Когда Рэйчел Карсон писала «Безмолвную весну», идея биоаккумуляции была еще непривычной по двум основным причинам. Первая: в то время токсикологи занимались в основном острой реакцией животных на высокие концентрации токсичных веществ, которые давали явный и сильный эффект, нередко летальный. Во времена Рэйчел Карсон использование диких животных для оценки долгосрочного влияния неблагоприятных экологических факторов было еще в зародышевом состоянии. Даже опыты по подтверждению химической канцерогенности на лабораторных моделях начались всего лишь за 45 лет до «Безмолвной весны». В этих экспериментах крыс, мышей и кроликов напрямую подвергали воздействию больших доз канцерогенов в течение длительного времени, но даже при таком мощном воздействии было сложно установить связь между веществом и развитием рака. Чтобы диким животным показать, что с природой что-то не в порядке, они должны были начать в буквальном смысле падать с неба. Что в случае с хищными птицами, отравленными ДДТ, фактически и произошло.

Вторая причина описывается афоризмом: «Проблема загрязнения решается разбавлением». В классических случаях воздействия токсичных веществ необходим прямой контакт с их источником. Если животное не умерло в результате этого воздействия, предполагалось, что концентрация токсина в его организме упадет в результате секвестрации (в безвредной инертной форме), метаболизма или экскреции. Казалось просто невозможным, что концентрация токсина может повышаться при «разбавлении» в процессе потребления пищи в пищевой цепи.

«Безмолвная весна» произвела эффект разорвавшейся бомбы. К 1964 г., когда Рэйчел Карсон безвременно скончалась, книга стала бестселлером, в тот год было продано более миллиона экземпляров. Президент Джон Кеннеди проявил интерес к этой книге, предписав Президентскому Совету по науке внимательно ее изучить. Совет подтвердил утверждение Карсон о том, что неконтролируемое использование пестицидов наносит большой урон окружающей среде путем биоаккумуляции веществ в пищевых цепях. Работа Карсон оказалась приговором для трех пестицидов, которых она «прославила» в своей книге: использование ДДТ было запрещено в Штатах в 1972 г., а альдрина и дильдрина – в 1974 г. Кроме того, «Безмолвная весна» стала катализатором для важных законодательных мер: «Закона о чистоте воздуха» 1963 г., основания Американского управления охраны природы в 1970 г. и «Закона о чистоте воды» 1972 г.

История СОЗ вполне могла бы завершиться благодаря «Безмолвной весне», если бы не еще одно любопытное свойство этой группы веществ: они путешествуют. Осознание этого факта начало распространяться в мире почти сразу же после публикации книги, хотя изначально внимание обратили не на СОЗ, а на уголь – давно знакомого токсичного врага. В 1960-х гг. тепловые электростанции континентальной Европы, работавшие на угле, выбрасывали в атмосферу большой объем соединений серы. В 1970-х гг. были проведены исследования, показавшие, что эти загрязнители могут перемещаться на огромные расстояния – до многих тысяч километров. Такое положение дел означало, что для адекватного решения проблем, связанных с загрязнением воздуха, необходимо международное сотрудничество, и эта потребность предопределила Женевскую конвенцию 1979 г. «О трансграничном загрязнении воздуха».

На самом деле по воздуху путешествует не только диоксид серы, но и некоторые металлы и СОЗ. В 1998 г. члены Европейской экономической комиссии ООН подписали «Протокол о стойких органических загрязнителях» как дополнение к Конвенции 1979 г. В протоколе говорится о запрете на выброс в окружающую среду 16 СОЗ, в том числе 11 пестицидов, двух промышленных соединений и трех промышленных побочных продуктов. Также он запрещает производство и использование некоторых СОЗ (альдрина, дильдрина), вводит график исключения из производства других (гексахлорбензола, полихлорированных дифенилов (ПХД)) и ограничивает использование третьих (ДДТ). Конвенция была расширена в 2000 г., когда представители 122 стран подписали соглашение о контроле СОЗ. Это соглашение было признано международным законом на Стокгольмской конференции по СОЗ в 2001 г. Закон уделял основное внимание 12 веществам, в том числе ДДТ, альдрину и дильдрину, которые получили прозвище «грязной дюжины». С тех пор в список были включены и другие вещества, отобранные по критериям устойчивости, способности к биоаккумуляции в пищевых цепях, атмосферному переносу на большие расстояния и негативному влиянию на здоровье человека.

Термин «стойкие органические загрязнители» не появился в «Безмолвной весне», и Карсон не предполагала, что токсичные вещества могут путешествовать на огромные расстояния. Ее обвинение пестицидам было основано на фактах острого воздействия высоких концентраций, приводящего к быстрой гибели, – тех, что наиболее очевидны для любого. Она не знала о том, что эти вещества могут в исходной форме распространяться глобально. В своей книге она пишет:

«В анализах жировой ткани у некоторых эскимосов были обнаружены незначительные следы ДДТ (от 0 до 1,9 частей на миллион). Причина совершенно очевидна. Эти анализы брали у людей, которые попали в больницы Анкориджа для проведения хирургических операций. Это был цивилизованный современный город, и больничная пища содержала не меньше ДДТ, чем продукты в других крупных городах. За свое короткое обращение к цивилизации эскимосы поплатились попаданием яда в их организмы».

Карсон не приходило в голову, что аборигены Арктики не обязательно должны были приезжать в Анкоридж за дозой ДДТ; ДДТ мог сам добраться до их родных стойбищ.

Как же происходит такой перенос, и почему загрязнители обнаруживаются в самых отдаленных уголках мира, а отнюдь не только в самых населенных или самых загрязненных? Это происходит благодаря так называемой глобальной дистилляции, или «эффекту кузнечика». СОЗ частично летучи, то есть способны испаряться и попадать в атмосферу при теплой погоде. При охлаждении воздуха вещества конденсируются и выпадают из атмосферы обратно на землю. Миграция веществ из одного региона в другой – медленный процесс, состоящий из множества циклов испарения – конденсации, поэтому эффект кузнечика возникает только в том случае, когда вещество устойчиво к деградации, что и свойственно СОЗ. Если вещество попадает в регион, где холодно всегда, как в Арктике и Антарктике, оно там и остается, закрепляясь в конденсированной форме, и уже не может вернуться в атмосферу и продолжить свои странствия по земному шару. Загрязнение Арктики СОЗ – это очень серьезная проблема, так как их химические свойства обусловливают их накопление на крайнем Севере в организмах высших хищников: морских рыб, птиц и млекопитающих. Эффект кузнечика позволяет загрязняющим веществам перемещаться по миру, а устойчивость к деградации не дает распадаться в процессе перемещения. Достигая полярных регионов они благодаря своей липофильности попадают в биоту, а не остаются в воде. Липофильные загрязнители концентрируются в организмах и биомагнифицируются, поднимаясь по пищевой цепи к высшим хищникам.

Еще один фактор, способствующий аккумуляции СОЗ в Арктике – это сама ее экосистема. Она характеризуется низким уровнем продуктивности растений, малым разнообразием видов и относительно простыми пищевыми цепями. Арктическая пищевая цепь начинается с фитопланктона, одноклеточных фотосинтезирующих растений, которые превращают углекислый газ в более сложные органические вещества. Этих одноклеточных поедает зоопланктон – разнообразные мельчайшие животные, в том числе рачки копеподы и амфиподы. Зоопланктоном питается рыба, в том числе арктическая треска – один из самых распространенных в Арктике видов, составляющий важную часть добычи морских обитателей. Эта недолго живущая рыба держится подо льдом, поедая ракообразных и концентрируя в себе СОЗ. Арктические кольчатые нерпы ловят рыбу, в том числе треску, а на них, в свою очередь, охотятся высшие хищники Арктики – белые медведи. В пищевой цепи треска – нерпа – медведь был обнаружен очень высокий уровень биоаккумуляции ПХД в жировых тканях – от 0,0037 до 0,68 и до 4,50 мг/кг соответственно.

Обычно СОЗ в большей степени концентрируется в организме самцов морских млекопитающих, чем самок. Например, в тканях самцов кольчатой нерпы содержится в два раза больше ДДТ и ПХД, чем в тканях самок, а в тканях самцов белых медведей ПХД на 50 % больше, чем у самок. У людей, населяющих этот регион, обнаруживается та же тенденция. Анализы крови инуитов, проживающих на острове Бротон на Северо-Западной территории Канады, показали, что концентрация ПХД увеличивается с возрастом и выше у мужчин, чем у женщин.

Более низкая концентрация загрязнителей в организме самок объясняется лактацией – выработкой жирного молока; однако, хотя концентрация СОЗ в организме самки из-за этого снижается, эти вещества передаются потомству. В грудном молоке инуитских женщин, питающихся «местной пищей» (традиционными продуктами питания, добываемыми в местной экосистеме), содержится вдвое больше СОЗ, чем у женщин из современных поселений, питающихся магазинными продуктами. По содержанию СОЗ молоко инуитских женщин примерно соответствует молоку китов-белух и в семь раз превосходит жировую ткань арктического гольца. Не будет преувеличением сказать, что верхнее положение в арктической пищевой пирамиде занимают детеныши млекопитающих, питающиеся материнским молоком, будь то белые медвежата, зубатые киты или человеческие дети.

Главная тема «Безмолвной весны» – чрезмерное использование хлорорганических пестицидов, легко перемещающихся по земному шару, пока не достигнут холодной и богатой жиром среды, где они могли бы осесть. Но заслуга книги не только в этом; она стала толчком для развития современной экотоксикологии. Хотя Карсон неправильно интерпретировала обнаруженные в организме эскимосов СОЗ, «Безмолвная весна» открыла глаза обществу (в том числе молодым перспективным ученым) на то, что тенденции, наблюдаемые в живой природе, можно рассматривать как прогноз будущих экологических проблем.

Публикация «Безмолвной весны» совпала с существенным изменением парадигмы в экотоксикологии. В книге, вероятно, впервые в истории было показано, что влияние человека на природу далеко не всегда позитивно, человек способен изменять целые экосистемы путем чрезмерного выброса промышленных химикатов. Более того, проведя анализ многочисленных исследований, Карсон извлекла суть из разрозненных обрывков информации и смогла на их основе сделать очень важное, хотя и пугающее, заключение. В своей книге она коснулась таких перспективных направлений, как трансгенерационная токсикология, репродуктивная токсикология, использование организмов-индикаторов, смешивание химических веществ в окружающей среде, приводящее к непредвиденным последствиям для здоровья человека, подверженность аборигенов приполярного региона воздействию СОЗ, различная чувствительность к пестицидам и эндокринные нарушения, вызванные гормональными канцерогенами. Окончание Второй мировой войны предопределило наступление новой химической эры, а «Безмолвная весна» предопределила наступление современной эры понимания воздействия на природу новых искусственных химических веществ. С точки зрения экологии современный подход к токсикологии и окружающей среде восходит именно к этой судьбоносной книге.