Антимутагены на благо здоровья

Вся информация о жизни хранится в молекулах ДНК, которые способны удваиваться и передавать ее от клетки к клетке, от родителей — потомкам. Искажение генетической информации в виде мутаций может произойти спонтанно или под влиянием мутагенов — ионизирующего излучения, химических веществ, биологических компонентов, температурных и других экстремальных факторов, которые сами или посредством промежуточных продуктов взаимодействуют с ДНК. Возникшие разрывы, замены оснований и другие изменения структуры ДНК могут иметь отрицательные последствия не только для их носителей, но и для будущих поколений.

Теперь уже не вызывает сомнений, что повреждения ДНК играют не последнюю роль в запуске и развитии различных патологических процессов. В этом отношении наиболее значимы сбои, возникающие в результате окисления оснований ДНК активными формами кислорода (АФК), образующимися как в ходе нормального метаболизма, так и в результате действия многих мутагенов окружающей среды. Парадоксально, но АФК необходимы для жизнедеятельности, так как при минимальных концентрациях участвуют в регуляции молекулярно-биохимических реакций и физиологических функций организма, тогда как при высоких вызывают окислительный стресс, который, в свою очередь, ускоряет старение и обусловливает злокачественную трансформацию клеток, нейродегенерацию, атеросклероз, диабет 2-го типа, аутоиммунные и многие другие хронические заболевания.
Загрязнение биосферы приобретает глобальные масштабы, что приводит к ускорению мутационного процесса и накоплению мутационного груза. Это касается и Беларуси, которая имеет хорошо развитую химическую промышленность и уже более 20 лет несет бремя чернобыльской катастрофы. В лаборатории генетической безопасности Института генетики и цитологии начиная с 1986 г. проводились исследования мутационного процесса в популяциях животных, являющихся индикаторами качества среды и обитающих на территориях, загрязненных радионуклидами. Показано, что, несмотря на резкое уменьшение мощности доз ионизирующего излучения, которое произошло уже в первый год после аварии вследствие распада короткоживущих изотопов, повышенная по отношению к доаварийному периоду частота цитогенетических нарушений в соматических и половых клетках поддерживалась у животных последующих 22 поколений. Данные генетического мониторинга в сравнении с уровнями поглощенных доз позволили сделать вывод о генетической эффективности малых доз ионизирующего излучения и трансгенерационной геномной нестабильности, которая развивается у животных на загрязненных территориях и может проявляться повышенной чувствительностью их генома к неблагоприятным воздействиям среды в ряду поколений. Эти данные опубликованы в журнале Radiation Environmental Biophysics [1], а также неоднократно докладывались на международных конференциях по проблемам радиобиологии в России, Германии, Швейцарии, Франции и других европейских странах. Сравнительно недавно российскими учеными установлено, что одним из проявлений чернобыльских эффектов в некоторых группах населения, включая детский контингент, является дестабилизация генома, обусловливающая повышенную заболеваемость [2]. Сходные тенденции наблюдаются и в нашей стране [3].
Не менее опасна химизация биосферы, так как за кажущейся безвредностью многих химических веществ скрывается их способность повреждать наследственные структуры. Есть теоретические и экспериментальные предпосылки считать, что индуцированная геномная нестабильность может развиваться и в результате действия химических мутагенов. Таким образом, ухудшение экологической обстановки ведет не только к накоплению мутационного груза, но и формированию геномной нестабильности, что в комплексе приводит к росту частоты наследственных, онкологических и других заболеваний человека, а также чревато утратой генофондов и уменьшением биологического разнообразия. Учитывая вклад повреждений ДНК в патологические процессы, необходимо развивать новые подходы не только к решению проблем охраны окружающей среды, но и здравоохранения. Одной из актуальных задач является разработка мер генетической безопасности, к числу которых относится изучение и дальнейшее применение антимутагенов — веществ, способных снижать уровень спонтанных и индуцированных мутаций.
Антимутагенез как научное направление имеет почти шестидесятилетнюю историю, берущую начало с открытия естественных антимутагенов у микроорганизмов Новиком и Сцилардом, сообщение о которых опубликовано в журнале Nature в 1951 г. Тем не менее это относительно молодое, перспективное и бурноразвивающееся направление. Немало исследований в данной области обрели не только научный, но и практический смысл. Установлены антимутагенные свойства многих природных и синтетических соединений. Наблюдается общемировая тенденция к интенсивному изучению антимутагенов как антиканцерогенов. Еще в 90-х гг. многочисленными эпидемиологическими изысканиями показано, что диета, богатая антиоксидантами и растительными волокнами, имеет определяющее значение для предотвращения рака кишечника и других злокачественных новообразований. Позже выявлены активные вещества, ответственные за антимутагенные свойства натуральных экстрактов и соков, например: изотиоцианат сульфорафан из крестоцветных овощей, полифенолы резвератрол из красного вина и галлат эпигаллокатехина из зеленого чая, соевый изофлавон генистеин, каротиноид ликопин из томатов. Сведения об этих веществах, а также механизмах их действия, определяющих направления их возможного применения, представлены в таблице. Все они обладают антиоксидантными свойствами, то есть способны нейтрализовать АФК. Поскольку АФК инициируют канцерогенез, а также образуются при воспалении и являются медиаторами других патологических процессов, свойственных всем стадиям развития рака, то именно антиоксидантам сейчас отдается предпочтение среди средств, претендующих на использование для профилактики и коррекции лечения онкологических заболеваний. Эта проблема детально рассматривалась нами ранее [4]. Среди ингибиторов свободных радикалов особое место занимает карнозин — дипептид животного происхождения, обладающий нейропротекторным действием [5].
Привлечение новейших достижений молекулярной биологии к решению современных задач антимутагенеза привело к впечатляющим успехам, особенно в области изучения механизмов действия антимутагенов. Установлено, что многие антимутагены-антиоксиданты полифункциональны и влияют на различные этапы и пути становления мутационных событий. Они выступают в роли ловушек свободных радикалов, подавляют систему метаболической активации ксенобиотиков, активируют систему детоксикации (обезвреживания) мутагенов, повышают точность репарации поврежденной ДНК, запускают апоптоз — генетически программируемую клеточную смерть, которая очищает ткани от клеток, перегруженных мутациями и хромосомными перестройками, предрасположенных к злокачественной трансформации. Появляются работы, свидетельствующие, что антимутагены могут участвовать в регуляции различных клеточных процессов, и осуществляется это через модуляцию окислительно-восстановительного (редокс) гомеостаза. Такие свойства обнаружены у ликопина, галлата эпигаллокатехина, резвератрола [6––8]. Изучение регуляторных функций антимутагенов-антиоксидантов представляется наиболее актуальным, так как открывает новые возможности их применения не только в онкологии, но и для минимизации воспалительных процессов и лечения заболеваний, ассоциированных с окислительным стрессом, таких как ревматоидный артрит, диабет, атеросклероз, нейродегенеративные и другие сопутствующие старению болезни [9, 10].
Однако необходимо отметить актуальность изучения не только естественных, но и синтетических антимутагенов. В лаборатории генетической безопасности, имеющей многолетний опыт работы в области антимутагенеза, проведен скрининг антимутагенов среди различных групп химических веществ, включая лекарственные препараты и некоторые природные комплексы. Наиболее эффективные антимутагены выявлены среди производных 1,4-дигидропиридина (1,4-ДГП), синтезированных в Латвийском институте органического синтеза. Эти соединения — аналоги дигидроникотинамида (активного центра НАДH), что предопределяет их участие в перехвате свободных радикалов, окислительно-восстановительных реакциях и перекисном окислении липидов.
Группа 1,4-ДГП привлекает внимание как потенциальный источник биологически активных веществ, представляющих интерес для фармакологии. Некоторые соединения этой группы уже внедрены в медицинскую практику; среди них — хорошо известный антагонист ионов кальция нифедипин. Другие обладают иммуно- и нейромодулирующими, противоишемическими, противовоспалительными и антиканцерогенными свойствами [11]. Нами проанализирована генетическая активность нескольких соединений этой группы, среди которых найдены снижающие уровень спонтанных мутаций в половых клетках на 50—80% [12]. Установлено, что эффективность антимутагенного действия изученных производных 1,4-ДГП зависит от их антиоксидантной и электронодонорной активности. На модельных объектах — дрозофиле и мышах — показано, что антимутагены этой серии защищают половые и соматические клетки животных от воздействия химических мутагенов, снижая частоту как точковых мутаций, так и повреждений хромосом. Из опытов in vivo следовало, что антимутагены дигиропиридинового ряда в условиях целостного организма преимущественно действуют опосредованным путем, активируя защитные клеточные системы, в том числе репарационные, ответственные за восстановление ДНК после ее поражения мутагенами. Дальнейшее исследование одного из наиболее эффективных антимутагенов этой серии на клетках человека [13—15] выявило ряд очень важных особенностей:
• этот препарат практически нетоксичен; снижение уровня выживаемости лимфоцитов наблюдается только при очень высоких концентрациях (IC50 = 290,62 ± 54,60 мМ). Для сравнения: этот показатель для аскорбиновой кислоты, по некоторым оценкам, составляет 460—660 мкМ. Характерно, что токсичность препарата по отношению к лимфоцитам здоровых доноров на 2 порядка ниже, чем для опухолевых клеток;
• исследованный антимутаген не обладает генотоксичным действием в широком диапазоне доз (до 10-6 М) и снижает уровень эндогенных повреждений ДНК на 30—50% при дозах 10-9—10-6 М;
• при низких концентрациях (10-7—10-10 М) препарат проявляет генопротекторную активность, способствуя воссоединению разрывов ДНК, индуцированных ионизирующим излучением, окислительным стрессом и алкилирующим агентом; эффективность защитного действия достигает 70%;
• влияние данного антимутагена на эксцизионную репарацию оснований ДНК опосредовано стимуляцией синтеза поли-ADP-рибозы;
• препарат обладает антикластогенным действием, снижая в том же диапазоне концентраций уровень радиационно-индуцированных микроядер на 35—50%; при определенных условиях он также стимулирует апоптоз.
Сравнение радиозащитных свойств этого же антимутагена на линиях клеток млекопитающих, различающихся по репарационной способности и метаболизму поли-ADP-рибозы, выявило схожие тенденции [16], но продемонстрировало также, что препарат более эффективен в элиминации окислительных повреждений ДНК [17].
Таким образом, обнаружено, что изученный антимутаген дигидропиридинового ряда подавляет спонтанный мутагенез и в условиях целостного организма, и в клетках человека in vitro. Как установлено на животных, аддукты ДНК, возникающие спонтанно или под влиянием эндогенных метаболитов, могут приводить к развитию рака, поэтому столь уникальная способность препарата позволяет предложить его для дальнейшего исследования и использования в качестве антиканцерогена. Другим очень важным аспектом его биологической активности является стимуляция защитных систем клеток и организма, участвующих в подавлении химического и радиационного мутагенеза, восстановлении структуры поврежденной ДНК и элиминации повреждений, вызванных окислительным стрессом. Именно эти свойства определяют перспективность данного препарата и ряда других изучаемых нами производных 1,4-ДГП не только для предотвращения канцерогенеза, но и для коррекции химио- и радиотерапии рака. Кроме того, они могут употребляться в качестве генопротекторов против мутагенов окружающей среды в некоторых группах риска и для повышения качества жизни при старении. Последнее подтверждается результатами исследования соединений этой серии, дилудина и цереброкраста, в модельных опытах на дрозофиле, которые выявили их высокий биопротекторный потенциал по отношению к развитию и выживаемости особей на разных стадиях онтогенеза, так же как и уровню химически индуцированных хромосомных мутаций [18]. Перечисленные результаты хорошо согласуются с ранее установленной геро-, иммуно- и нейропротекторной активностью ряда производных 1,4-ДГП, включающих названные препараты [11], и отражают успешное многолетнее сотрудничество лаборатории генетической безопасности Института генетики и цитологии НАН Беларуси с Латвийским институтом органического синтеза, Институтом им. М. Склодовской-Кюри при Центре онкологии в Гливице и Институтом ядерной химии и технологии в Варшаве (Польша).
Продвижение синтетических антимутагенов в практику сталкивается с некоторыми трудностями. Это многоступенчатый процесс, предусматривающий выяснение механизмов действия антимутагенов, определение диапазона эффективных концентраций и условий оптимального применения, изучение возможных отрицательных эффектов, доклинические испытания в различных тест-системах и т.д. Тем не менее можно надеяться, что начальный этап этого пути пройден. Представленная информация и другие имеющиеся данные свидетельствуют о высокой эффективности изученных антимутагенов дигидропиридинового ряда в защите генома от повреждающих факторов внутренней и внешней среды. Установлены механизмы их действия, опосредованные репарацией ДНК и сигнальной трансдукцией, обеспечивающей клеточный ответ на стрессорные воздействия. Обладая генопротекторным свойством, они практически нетоксичны, даже по сравнению с повседневно употребляемыми витаминами, что повышает их привлекательность и делает целесообразным их применение для решения актуальных задач здравоохранения, к числу которых, безусловно, можно отнести и медицинские аспекты демографической безопасности.
Увеличение продолжительности жизни — извечная мечта человечества, но она имеет обратную сторону — старение, при котором происходит постепенное нарушение и утрата важных функций, вследствие чего организм становится менее приспособленным к условиям окружающей среды, теряет устойчивость к болезням и травмам. В связи с ухудшением здоровья старение сопровождается изменением качества жизни. Вот почему в мире интенсивно развиваются подходы для изменения ситуации. При этом большое внимание уделяется антиоксидантам, подавляющим эффекты окислительного стресса как одной из основных причин патологических состояний и старения. Кроме того, изучение генетических основ синдромов преждевременного старения (Блума, Вернера и некоторых других), а также моделирование этого состояния на животных выявило роль нарушений репарации ДНК в старении [19, 20]. Поэтому гены репарации ДНК и сигнальные пути регуляции репарационного процесса вполне обоснованно рассматриваются в качестве возможных мишеней терапевтической коррекции продолжительности жизни. Обнаружено также, что состояние здоровья человека зависит от метаболизма НАД+ [21]. На основании аналогии синтетических производных 1,4-ДГП никотинамидным коферментам, а также установленной антиоксидантной и антимутагенной активности изученных нами производных 1,4-ДГП в сочетании с их способностью модулировать репарацию ДНК ожидается, что они будут влиять на качество и продолжительность жизни. Начало исследованиям в этом направлении уже положено.
В Беларуси на государственном уровне поддерживается здоровый образ жизни, одной из важнейших составляющих которого является правильное — функциональное — питание. Разработка и внедрение функциональных продуктов питания представляет новое для нашей страны направление [22]. Следует подчеркнуть, что антимутагены могли бы оказаться полезными для решения этой проблемы, а мировая практика показывает, что многие биологически активные добавки как компоненты
функционального питания разработаны на их основе (табл.).
В заключение необходимо подчеркнуть, что за последние несколько лет произошел прорыв в фундаментальных исследованиях по антимутагенезу, который начинает определять современную стратегию здравоохранения в развитых странах. Эта стратегия предусматривает привлечение антимутагенов к решению ряда практических задач, в частности к совершенствованию превентивных мер и способов коррекции терапии многих хронических болезней, улучшению качества жизни, замедлению старения. В этом отношении весьма перспективна исследуемая нами группа соединений дигидропиридинового ряда, которые обладают высокой биопротекторной активностью. Можно полагать, что антимутагенные, хемо- и радиопротекторные свойства этих препаратов, обусловленные их способностью стимулировать защитные механизмы, репарацию ДНК и жизнеспособность на клеточном и организменном уровне, будут существенно повышать устойчивость организма к неблагоприятным факторам среды, старению и патологическим процессам.