Škodlivé aromatické nitrosloučeniny

S rozvojem poznatků o škodlivosti sloučenin z provozů chemického průmyslu vzrostla obava z „chemie“ jakožto hlavního zdroje znečištění životního prostředí látkami, které škodí zdraví. Na druhou stranu by ale právě chemie (tj. chemický výzkum) mohla ohrožení člověka potlačit, nebo mu dokonce předejít.

Životní prostředí a člověk

Již od konce sedmdesátých let 20. století je zřejmé, že aromatické nitrosloučeniny jsou přítomny ve všech složkách životního prostředí. Jsou součástí výfukových plynů a vzdušných prachových částic, zjištěny byly rovněž v říčních sedimentech (viz V. Straškrabová, Vesmír 74, 11, 1995/1). Vznikají zejména z oxidů dusíku, které jsou produkovány všemi vysokoteplotními procesy – spalováním uhlí, tepelnou likvidací odpadů, zpracováním kovů. Lokální znečištění aromatickými nitrosloučeninami je vyvoláváno úniky z provozů, kde se tyto látky zpracovávají, v malém množství vznikají nitrosloučeniny i při úpravě některých potravin grilováním. Přítomny jsou rovněž v cigaretovém kouři.

Většina aromatických nitrosloučenin vykazuje mutagenní aktivitu v bakteriálních i savčích systémech. Ohroženými orgány jsou především játra, plíce a prsní žlázy. Podíl aromatických nitrosloučenin na vývoji zhoubných nádorů v lidském organizmu zatím sice nebyl prokázán jednoznačně, nicméně opodstatněnost podezření potvrzují jak epidemiologické studie u pacientů trpících nádorovým onemocněním plic, tak výskyt nádorových onemocnění u pracovníků provozů, v nichž se aromatické nitrosloučeniny vyrábějí.

O nitrosloučeniny (viz obrázek) se zajímá řada institucí. Vedle otázek, zda a za jakých koncentrací jsou nitroaromáty toxické a karcinogenní, jak jsou v organizmech metabolizovány, jaká množství těchto látek a jejich metabolitů přetrvávají ve složkách životního prostředí (včetně organizmů), zůstává otevřena další otázka: Jaký je mechanizmus jejich neblahého působení? Odpověď na ni by mohla přispět k objasnění dalších příčin vývoje nádorových onemocnění a možná i k úspěšné prevenci.

Jak se z nenádorové (zdravé) buňky stane nádorová?

Nádorový proces začíná zhoubnou (maligní) transformací nenádorové buňky v nádorovou, následuje dělení buněčného klonu a zvyšování zhoubného potenciálu dělících se buněk. Příčina nádorových procesů může být chemická (vliv některých chemikálií, včetně zmíněných nitroaromátů), fyzikální (např. vliv ionizujícího záření, mechanické vlivy) a virová. Na onemocnění se podílejí faktory zevní (např. některé chemické karcinogeny) a vnitřní (např. dědičné mutace, celkové oslabení a poškození obranyschopnosti organizmu). Některý z těchto faktorů pak může vyvolat genetické změny (mutace DNA) v buňce.

• Onkogeny, protoonkogeny a antionkogeny. Podstatné změny nacházíme v některých typických oblastech genomu. Gen (nositel genetické informace) má k dispozici informační makromolekuly (DNA). Těm genům, jejichž změny se mohou podílet na vzniku zhoubného bujení, říkáme onkogeny. Jde o geny kódující proteiny, které regulují normální růst buňky. Jestliže se takový gen „porouchá“, růst se „splaší“ a normální buňka se změní v nádorovou. Neporouchané buněčné onkogeny (tj. normálně regulující) se nazývají protoonkogeny. Podle funkce se onkogeny dělí na geny pro růstové faktory, geny pro receptory růstových faktorů a hormonů, geny pro převaděče signálů a geny pro transkripční faktory. Produkty onkogenů zasahují do všech čtyř funkcí kontroly buněčného růstu. Další skupinou nádorových genů jsou antionkogeny (též tumorové supresorové geny). Jejich produkty ruší účinky onkogenů.
• Karcinogeny genotoxické a epigenetické. Podle mechanizmu působení lze chemické karcinogeny dělit na genotoxické (vážou se na DNA kovalentní vazbou, tvoří tedy kovalentní adukty ¹⁾ ) a epigenetické (molekuly DNA obměňují nekovalentně). Některé epigenetické karcinogeny jsou schopny vmezeřit se do struktury DNA, jiné DNA poškozují za vzniku jednořetězových a dvouřetězových zlomů, či dokonce síťování molekul v jedné molekule DNA, mezi dvěma molekulami DNA, nebo i mezi DNA a proteinem.

  Z hlediska vývoje zhoubného nádoru je asi nejzávažnější tvorba kovalentních aduktů. Více než 90 % známých lidských karcinogenů iniciuje nádorové procesy právě kovalentními vazbami na DNA. Většina aduktů je sice z DNA vyloučena opravnými mechanizmy, ale některé způsobují v genech řídících růst a diferenciaci buněk nepřetržité mutace tak dlouho, až vyvolají odlišný buněčný vývoj, a posléze i nádorový proces.

  K tomu, aby karcinogeny mohly tvořit adukty s DNA, potřebuje většina z nich metabolickou aktivaci (obrázek nahoře). Ta probíhá v průběhu jejich přeměny v organizmu. Je vedlejší, nepříznivou cestou metabolizmu, který slouží k vyloučení karcinogenních sloučenin z organizmu.

Nitroskupina – klíč, jímž se nádorový proces nastartuje

Důležitým místem metabolické aktivace aromatických nitrosloučenin je nitroskupina. Její redukcí vzniká hydroxylamin, který tvoří nitreniový ion, jenž reaguje s molekulami DNA za tvorby aduktů. K aktivaci nitrosloučenin přispívá také jejich oxidační metabolizmus (viz obrázek), avšak v mnohem menší míře než redukce.

Vývoj nádorových procesů vyvolaných nitroaromáty nemusí vyplývat pouze z tvorby kovalentních aduktů. Předpokládá se, že nitroaromáty mohou modifikovat DNA i nekovalentně, prostřednictvím iniciace radikálových procesů. Jejich výsledkem jsou hydroxylované deriváty purinových bází DNA, např. 8-hydroxyguanin. Pozorován byl také nárůst jednořetězových i dvouřetězových zlomů v DNA.

Pomůže znalost mechanizmu zabrzdit zhoubný proces?

Detailní znalost metabolizmu a mechanizmů startujících nádorové procesy většiny nitroaromátů v lidském organizmu zatím nemáme. Karcinogenní nitrosloučeninou, jejíž mechanizmus působení nebyl donedávna znám, je o-nitroanizol. Vědecká pracoviště se o tuto látku začala zajímat až r. 1993 po havárii ve firmě Hoechst v SRN. Tehdy značné množství o-nitroanizolu uniklo a způsobilo významné znečištění. Tato toxická sloučenina vyvolává anemii a methemoglobinemii. To znamená, že vzrůstá koncentrace methemoglobinu, derivátu hemoglobinu, jehož železo s oxidačním číslem III není schopno vázat kyslík. Výsledkem jsou poruchy dýchání a urychlená destrukce erytrocytů. Krom toho vyvolává o-nitroanizol poškození kůže (mezi dětmi žijícími v oblasti nehody byl 1,5 roku po havárii zaznamenán nárůst výskytu atopického ekzému). U potkanů a myší je o­nitroanizol karcinogenem indukujícím tvorbu nádorů močového měchýře, v menší míře i nádorů ledvin, sleziny a jater.

U požárníků pracujících na místě nehody, kteří byli vystaveni zvýšené koncentraci o-nitroanizolu, byl pozorován nárůst jednořetězových a dvouřetězových zlomů v DNA. Ten po třech měsících od nehody poklesl na normální hladinu, pravděpodobně díky opravným mechanizmům poškozené DNA. Zda je o­nitroanizol odpovědný i za tvorbu kovalentních aduktů v DNA, se u obyvatelstva postižené oblasti zatím nezjišťovalo.

Biochemické studie přispěly k určení enzymů, které o-nitroanizol efektivně metabolizují. K určení struktury metabolitů přispěly výsledky práce organických chemiků, syntetiků a fyzikálních chemiků. Pro detekci aduktů tvořených z o-nitroanizolu vyvinulo naše pracoviště na Přírodovědecké fakultě UK ve spolupráci s Německým centrem pro výzkum rakoviny novou metodu (obměnu metody, kterou popsal K. Randerath). Využívá rozdílné chromatografické vlastnosti aduktů s karcinogeny a nemodifikovaných nukleotidů DNA (viz Chemické listy 92, 661, 1998). Použitím této metody byly adukty poprvé zjištěny v orgánech (močovém měchýři, ledvinách a játrech) potkana. Výsledky prokazují genotoxický charakter o-nitroanizolu.

Metoda zaslouží, aby byla využita k sledování obyvatelstva postižené oblasti a pracovníků v provozech vyrábějících o-nitroanizol. Lze jí totiž sledovat míru poškození DNA, a tím i riziko, které daný karcinogen v lidském organizmu vyvolává.

Zpět k škodlivosti „chemie“

Výsledky získané uvedenou studií, k nimž přispěly metody chemické, biochemické a biomedicinální, jsou příkladem, že je rozvoj chemických oborů využitelných v lékařství nezbytný. Je zřejmé, že choroby lidské populace ze znečištěného životního prostředí lze v lidském organizmu diagnostikovat již na molekulární úrovni, a tím zabránit prvotním fázím poškození. Obory, které to umožňují (tedy i chemie), zasluhují, aby byly rozvíjeny a ne zatracovány. ²⁾