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.

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.

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.

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.

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.

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⁾