ENVIRONMENTÁLNÍ TOXIKOLOGIE KARCINOGENEZE Klára A. Mocová Laboratoř ekotoxikologie a LCA, Ústav chemie ochrany prostředí, Fakulta technologie ochrany prostředí, VŠCHT Praha
OBSAH Historie: případy karcinogenity Karcinogeny Karcinogeneze
KARCINOGENEZE - ÚVOD Rakovinné bujení Karcinogeneze = Kancerogeneze (2 možné názvy) karkinos (řec.) - rak; gennan (řec.) tvořit cancer (lat.) rak onkos (řec.) krab název zřejmě od tvaru karcinomu prsu připomínající raka nebo kraba (výběžky z centrálního ložiska) Karcinogeny faktory způsobující karcinogenní účinky K nádorovému bujení stačí jediná rakovinná buňka! ta se dále dělí vzniká klon (geneticky identické buňky)
KARCINOGENEZE - HISTORIE 1775 Percival Pott 1. zpráva o rakovině (rakovina šourku u kominíků) 18. stol. rakovina nosu (muži šňupající tabák) 19. stol. rakovina plic u horníků poč. 20. stol. nádory kůže a leukemie (vystavení lidí rentgenovým paprskům) 20. stol. rakovina jazyka (ženy nanášející luminiscenční radium na ručičky hodinek olizování štětce jazykem do špičky) 50. léta 20. stol. rakovina plic u kuřáků cigaret
TYPY NÁDORŮ benigní (nezhoubný): ohraničený růst, tkáňově specifický, neexpanduje do jiných tkání (nemetastazuje) maligní (zhoubný): neohraničený růst, metastáze (sekundární ložiska) solidní nádor - (pevné ložisko) leukémie - (krevní buňky roztroušené) karcinom vznik z epitelů (výstélky orgánů)... cca 80 % sarkom vznik z mezenchymu (svaly, pojivo, kosti) leukémie a lymfomy - (lymfoidní tkáň), lymfa = plazma
NÁDOROVÁ BUŇKA ztrácí diferenciaci, změna tvaru buňky (diferenciace = specializace buňky k určité funkci, určitá struktura a obsah buňky) neomezeně se dělí (normální buňka se dělí maximálně 50krát, výjimky: embryonální a kmenové buňky dělí se vícekrát) ovlivňuje okolní buňky patologické množení změny v metabolismu, v karyotypu (DNA - chromosomy) změny v antigenech na povrchu buňky imunitní systém je proti nádorovým buňkám téměř bezmocný
RAKOVINNÉ BUŇKY využití ve výzkumu: tkáňové kultury např. HeLa buňky ( nesmrtelné buňky z cervikálního nádoru Helen Lang) produkce monoklonálních protilátek (buněčné linie vzniklé fúzí B-lymfocytu a nádorové buňky) Pozn.: cervix = děložní čípek
RAKOVINNÉ BUŇKY Dědičná predispozice / vliv prostředí Primární změny specifické Sekundární změny nespecifické (náhodné, nebo se často objevují stejné chyby u různých nádorů) Často přestavby chromosomů (translokace, inverze, delece) např. Philadelphský chromosom (reciproká translokace chromosomu 9 a 22 chronická myeloidní leukémie) Ztráta funkce regulačního genu nebo zvýšená enzymatická funkce K přeprogramování normální buňky na rakovinnou je třeba více faktorů (změn) než 2 genetické (primární a sekundární). Složitý proces
VÝZKUM 20. STOLETÍ Snaha uměle vyvolat rakovinu u pokusných zvířat od začátku 20. století K. Jamagiwa pokusy na základě zpráv o rakovině šourku v Anglii (nanášel dehet na uši králíků nádory kůže po několika měsících) 1930 Hermann Muller ozařoval octomilky X-paprsky (mutageneze) konec 2. světové války yperit způsobuje mutace 1950 - mutageny často působí také karcinogenně 70. léta Bruce Ames testy na Salmonella typhimurium původně k prokázání karcinogenů; zjistil ovšem, že tvrzení mutagen = karcinogen neplatí vždy
VÝZKUM 20. STOLETÍ 70. léta 20. stol. 2 názory: nádory důsledkem chemického a fyzikálního poškození genů uvnitř tkání nádory způsobují infekční choroby šířené viry virové rakoviny: Rousův sarkom (1909 u kuřat) onkogen src později zjištěno, že gen src byl původně běžným buněčným genem, který se dostal do genomu viru Rousova sarkomu (RSV), kde byl pozměněn a dále přenášen jako onkogen objev dalších onkogenů (myc, myb, ras...) Závěr: kořeny rakoviny leží v našich genech
KARCINOGENY řada mutagenů jsou zároveň i karcinogeny dělení karcinogenů do pěti skupin rizikové látky se často teprve v organismu biotransformují na vlastní karcinogeny - PAHs z cigaretového kouře na karcinogenní epoxidy pomocí enzymu arylhydrokarbonhydroxylasy, - jedinci s neaktivním enzymem jsou rezistentní
NEJZNÁMĚJŠÍ TYPY KARCINOGENŮ PAH (polyaromatické uhlovodíky) chlorované uhlovodíky aromatické aminy azbest těžké kovy mykotoxiny některé virové infekce
KLASIFIKACE KARCINOGENŮ - IARC IARC (International Agency for Research on Cancer) - součást WHO Třída I - látka je karcinogenní pro člověka Třída II A - látka je pravděpodobně karcinogenní pro člověka Třída II B - látka je možná karcinogenní pro člověka Třída III - látka není klasifikována jako možný karcinogen Třída IV - látka je pravděpodobně není karcinogenní
KLASIFIKACE KARCINOGENŮ US EPA US EPA - United States Environmental protection Agency Kategorie A - lidský karcinogen Kategorie B1 - pravděpodobný lidský karcinogen - omezené studie na lidech Kategorie B2 - pravděpodobný lidský karcinogen - žádné studie na lidech Kategorie C - možný lidský karcinogen Kategorie D - není klasifikován jako karcinogen Kategorie E - prokazatelně nekarcinogenní
PŘÍKLAD KARCINOGENŮ - AFLATOXINY Patří mezi nejsilnější známé karcinogeny Objeveny kolem 1960 ( turkey X disease epidemie u drůběže krmené arašídovou moukou v J. Americe mnoho úmrtí ) Produkty plísně Aspergillus flavus (aflatoxiny ~ A. flavus toxin) Plíseň se vyvíjí při růstu, sklizni a špatném uskladnění potravin Problematickou potravinou jsou např. arašídy (subsaharská Afrika), obilniny, mléko zvířat krmených kontaminovanou potravou Aflatoxiny způsobují především nádory jater, ale i jiné druhy rakovin (výskyt hlavně v Africe, Asii, u afroamerických, asijských a hispánských menšin v Americe
AFLATOXINY HISTORIE A VÝZKUM kolem 1960 rozsáhlá epidemie u drůbeže (nákaza z arašídové moučky kontaminované krmivo) úhyn zvířat ( Turkey X disease ) detekce plísně A. flavus, později experimenty s extrakty plísně na potkanech nádory jater u pokusných zvířat detekce aflatoxinů (fluorescence) zjištěna spojitost aflatoxinů s nádory jater u lidí 1993 aflatoxiny zařazeny do rizikové skupiny karcinogenů I (tj. známé karcinogeny pro člověka) Aflatoxin B1 zdroj: www.wikipedia.org
AFLATOXINY o vytvářejí DNA-adukty (aflatoxin-n7-guanin) i proteinové adukty (s krevní bílkovinou albumin) o adukty jsou detekovatelné v moči nebo krevním séru o způsobují mutace v tumor-supresorovém genu p53 o aflatoxiny přirozeně fluoreskují v UV světle (snadná detekce a monitoring potravin)
PŘÍKLADY PROKÁZANÝCH KARCINOGENŮ aflatoxiny (přirozené produkty plísní) arsen azbest benzen berrylium kadmium a sloučeniny šestimocný chrom formaldehyd některé léky gama paprsky virus hepatitidy B, C lidský papillomavirus (rakovina děložního čípku)
GENETICKÉ PŘÍČINY KARCINOGENEZE Mutační místa v genomu: vznik onkogenu změnou funkčního genu (protoonkogenu) protoonkogeny geny kontrolující buněčné dělení tumor supresorové geny (=antionkogeny) tyto geny po zasažení mutací způsobují rakovinné bujení mutátorové geny (součástí opravného systému DNA) např. gen pro p53 (tzv. strážce genomu) při velkém počtu chyb v genomu buňky spouští programovanou buněčnou smrt, příslušný onkogen tuto funkci ztrácí
DALŠÍ PŘÍČINY KARCINOGENEZE onkogen může být i virového původu: (nukleová kyselina viru se začleňuje do hostitelského genomu) infekce, podporující karcinogenezi: i bez genetických příčin: např. virus HIV (ztráta imunitního dohledu), virus hepatitidy B, C (zánět v játrech vede až k cirhóze) mechanické poškození plicní tkáně azbestem tkáně, ve kterých se často musí množit a dorůstat nové buňky jsou náchylné k hromadění chyb a snáze se v nich objeví nádorové buňky
MUTACE ZPŮSOBUJÍCÍ NÁDOROVÉ BUJENÍ změna protoonkogenu (zdravý gen) na onkogen (rakovinný gen) vede různými cestami bodová mutace př. vznik onkogenu ras (karcinom močového měchýře) z protoonkogenu bodovou mutací (záměna jednoho nukleotidu v sekvenci celkem 5000 nukleotidů) genová amplifikace (zmožení počtu genů) onkogen myc (nalezen v několika typech lidských nádorů) v nádorech ve více než 20 kopiích, ve zdravých buňkách pouze ve 2 kopiích nádorové buňky tak získávaly mnohem vyšší stimulační růstové signály než zdravé buňky
VIRY ZPŮSOBUJÍCÍ RAKOVINU Některé viry způsobují rakovinu Např. rakovina děložního čípku Burkittův lymfom a rakovina nosu a hrtanu (virus Epstein-Barrové = EBV Leukemie (retroviry) Rakovina jater (virus hepatitidy B)
VIRY ZPŮSOBUJÍCÍ RAKOVINU Ke vzniku nádorových onemocnění nestačí pouze virová infekce; nutné další podmínky Virus obvykle přetrvává v organismu mnoho let předtím, než se nádor rozvine (virus je v tzv. latentní fázi, zpravidla 20 50 let) Virová DNA se začlení do genomu hostitelské buňky může dojít ke změně původních genů člověka a tedy ke vzniku genů rakovinných záleží na místě, kam se virová DNA vložila proto se rakovinné bujení objeví jen u části infikovaných lidí
VLIV VÝŽIVY NA VZNIK KARCINOGENEZE Rizikové potraviny: živočišné tuky Nevhodná úprava jídel: smažení, pečení, uzení Protektivní strava: 1) ovoce, zelenina, luštěniny (obsah vitamínů a dalších látek detoxikující karcinogeny) 2) potraviny s vysokým obsahem vlákniny napomáhajícím trávení a vyprazdňování trávicího traktu - rozpustná vláknina (pektiny a slizy) - nerozpustná vláknina (celulóza a lignin)
ANTIOXIDANTY Platí pro oblast ochrany před genotoxickým působením látek obecně, včetně karcinogenity DNA může být mj. narušena oxidačním stresem Proti oxidačnímu stresu působí antioxidanty (např. vitaminy a antioxidační enzymy) Antioxidanty lze nalézt v některých potravinách, případně je lze i zakoupit jako potravinové doplňky (např. selen, kys. listová) Selen není přímo antioxidant, ale je součástí cca 20 druhů selenoproteinů v lidském těle. Mezi ně patří i složky antioxidačního systému (např. glutathionperoxidasa) Selen je však problematický nedostatek Se škodí, nadbytek Se také škodí. Selen by měli proto užívat pouze ti lidé, kteří mají lékařem stanovenou nižší hladinu Se
ANTIOXIDANTY MOŽNÝMI KOMUTAGENY? Opatrnost při užívání antioxidantů platí obecně Rizikovou látkou je také kyselina listová, která je sice potřebná (vznik červených krvinek, dělení buněk, správný vývoj lidského plodu...), ale zároveň její nadužívání podporuje vznik rakoviny tlustého střeva, recta i dalších O mnohých antioxidantech není známo, jak působí ve směsích s mutageny mohou fungovat jako tzv. komutageny Komutageny látky samy o sobě nepůsobící mutagenně, avšak ve spojení s mutagenní látkou zvyšují sílu mutageneze
POUŽITÁ A DOPORUČENÁ LITERATURA Kocsis, A., Molnar, H. (eds.): Genotoxicity. Evaluation, Testing and Prediction. Nova Biomedical Books. New York 2009. Penning, T.M. (ed.): Chemical carcinogenesis. Springer. New York, Heidelberg, London, Dordrecht 2011. Weinberg, R.A.: Jediná odrodilá buňka. Jak vzniká rakovina? Academia. Praha 2003.
DĚKUJI ZA POZORNOST Tento projekt (57/2013/B4: Inovace předmětu Environmentální toxikologie) je podporován ze zdrojů Fondu Rozvoje Vysokých Škol.