Роль загрязнения воздуха взвешенными частицами в патогенезе онкологических заболеваний

Рост смертности от злокачественных новообразований (ЗНО) является серьезной медицинской и социально-экономической проблемой последних десятилетий во всем мире, в том числе и в России. Смертность от ЗНО занимает второе место после болезней сердца и сосудов в структуре летальности населения России [1]. В 2016 г. ведущими локализациями в общей структуре онкологической заболеваемости в Российский Федерации являлись: кожа (12,5 %, с меланомой – 14,2 %), молочная железа (11,5 %), трахея, бронхи, легкое (10,1 %), ободочная кишка (6,7 %), предстательная железа (6,4 %), желудок (6,2%), прямая кишка, ректосигмоидное соединение, анус (4,9 %), лимфатическая и кроветворная ткань (4,8 %), тело матки (4,2 %), почка (4,0 %), поджелудочная железа (3,1 %), шейка матки (2,9 %), мочевой пузырь (2,8 %) и яичник (2,3 %) [2].

Среди приоритетных веществ, формирующих сверхнормативное загрязнение атмосферного воздуха городских и сельских территорий РФ, первое место занимают взвешенные частицы (particulate matter, PM), т.е. все твердые и жидкие вещества малого размера, содержащиеся в воздухе в виде аэрозоля [4]. A.J. Cohen et al. проанализировали статистические данные смертности, связанной с воздействием PM, на глобальном и региональном уровнях, а также результаты спутниковых наблюдений с 1990 по 2015 г. Выявлен существенный рост заболеваемости и смертности, связанных с загрязнением воздуха, за последние 25 лет [5]. Ежегодно в мире регистрируется более 3 млн преждевременных смертей, обусловленных загрязнением воздуха, с тенденцией роста этого показателя [6].

Влияние размера и состава РМ на человека

Особенно опасны для здоровья человека мелкодисперсные частицы с аэродинамическим диаметром ≤ 2,5 мкм (РМ2,5), которые могут достигать бронхиол и альвеол, и ультрамелкодисперсные частицы с размером частиц 0,1–0,001 мкм (PM0,1), которые включают в себя наночастицы (<100 нм).

Обладая малой массой, РМ0,1 имеют относительно большую площадь поверхности, депонируются в альвеолах, могут ускользать от мукоцилиарного клиренса и макрофагов, в отличие от крупных РМ, проникают в кровоток и затем могут попасть в любую ткань организма [7, 8].

Химический состав РМ зависит от многочисленных факторов: географических, метеорологических, особенностей источников их происхождения, взаимодействия в атмосфере. Обычно РМ включают в себя неорганические компоненты, элементарный и органический углерод, биологические компоненты (бактерии, споры и пыльцу растений). Установлено, что РМ2,5 и РМ0,1 дорожно-транспортного происхождения содержат больше тяжелых металлов, чем промышленная пыль [9, 10]. Наиболее высоким потенциальным канцерогенным риском обладают РМ, содержащие металлы, в том числе Cr, Cd, Co [11]. Кроме того, в воздухе происходит формирование вторичных частиц в результате химических реакций c газообразными загрязняющими веществами, которые, в свою очередь, являются продуктом происходящей в атмосфере трансформации окислов азота и серы либо выбрасываются автотранспортом и промышленностью. Вторичные частицы в основном содержатся в мелкодисперсных РМ [12, 13].

С другой стороны, M. Pedersen et al. при анализе 15 когортных исследований, выполненных в период с 1985 по 2005 г. с участием 303 431 человека, используя стандартизованные регрессионные модели из европейского проекта ESCAPE, не выявили достоверной ассоциации между уровнем РМ2,5 и риском возникновения рака мочевого пузыря [20]. Аналогичные данные получены в исследовании Nurses’ Health Study II Prospective Cohort, анализирующем связь между длительным воздействием РМ и риском заболевания раком молочной железы у медсестер [21]. Однако до сих пор остается неясной роль загрязнения воздуха РМ c аэродинамическим диаметром ≤2,5 мкм в патогенезе ЗНО, в частности на молекулярно-генетическом уровне.

Механизмы действия РМ

Доказано, что оксидативный стресс при действии PM является центральной ступенью провос-палительной реакции и канцерогенеза, а активные формы кислорода (АФК) и азота (АФА) могут быть триггерами освобождения цитокинов из тканей через транскрипционные факторы NF-κB (ядерный фактор «каппа-би»), AP-1 (белок-активатор 1), Nrf2 (ядерный фактор, подобный выделенному из эритроидных клеток-2) и AhR (рецептор ароматических углеводородов) [22–25].

Анализ многочисленных исследований привел к заключению, что митохондриальная супероксид-дисмутаза-2 (мСОД2) играет важную роль в предохранении клетки от оксидативного стресса. Однако при нарушении окислительно-восстановительного баланса, связанного с накоплением перекиси водорода, мСОД2 и глутатион пероксидаза-1 могут оказывать двоякое действие, предупреждая или увеличивая риск канцерогенеза [26].

В исследовании C. Tan et al. приняли участие 183 полицейских дорожно-патрульной службы, подвергавшихся воздействию высоких концентраций РМ2,5, содержащих металлы (Fe, Са, Сu, Zn, Cd, и Pb), и 88 офисных работников. С использованием многофакторного линейного регрессионного анализа была выявлена значимая положительная ассоциация между увеличением уровня биомаркеров оксидативного стресса, повреждений ДНК, хромосомных аберраций и высокой концентрацией РМ2,5, а также длительностью воздействия. Авторы пришли к заключению, что долгосрочное воздействие высоких концентраций РМ2,5 индуцирует кумулятивные повреждения ДНК, которые способствуют канцерогенезу и могут быть ранними биомаркерами развития рака [27].

В обзоре литературы H. Sas-Nowosielska et al. отмечено, что наиболее выраженное вредное влияние тяжелых металлов, входящих в состав РМ2,5, связано с их взаимодействием с компонентами ядра клетки: нуклеиновыми кислотами, белками и липидами. Некоторые ионы металлов, будучи микроэлементами, например Zn2+ и Cu2+, в физиологических концентрациях проникают через мембрану клеток по специализированным ионным каналам. Аналогичным образом действует большинство известных цитотоксичных металлов, которые входят в клетки, подражая ионам эссенциальных металлов, и вызывают генерацию АФК [28].

Рост уровня АФК приводит к нарушениям жизненно важных внутриклеточных процессов, таких как транскрипция, репликация и репарация ДНК, что, в свою очередь, влечет необратимые изменения в реализации программы клетки и канцерогенез [29–31].

Используя национальный раковый регистр, W.C. Pan et al. проанализировали 464 случая ГЦК у жителей Тайваня. При этом выявлена положительная ассоциация между воздействием РМ2,5, уровнем аланинтрасферазы (АЛТ) и частотой ГЦК. Установлено, что долговременное воздействие PM2,5 увеличивает риск возникновения рака печени, а хроническое воспаление печени играет ведущую роль в патогенезе ГЦК, что подтверждается высоким уровнем АЛТ [32]. В эксперименте Q. Zhang et al. обнаружили, что воздействие PM способствовало миграции и инвазии клеток ГЦК, увеличению концентрации матриксной металлопротеиназы-13 (MMP-13). Кроме того, PM2,5 индуцировали образование АФК в клетках ГЦК. Дальнейшее исследование показало, что фосфорилирование серин/треониновой протеинкиназы AKT1 увеличивалось в ответ на воздействие PM2,5 в клетках ГЦК, а антагонист AKT1 LY294002 уменьшал индуцированную PM2,5 миграцию и инвазию клеток ГЦК, а также экспрессию MMP-13. На клетках гепатоцитов линии HL7702 было показано, что высокие концентрации PM2,5 уменьшают пролиферацию клеток и способствуют апоптозу. Было также установлено, что активация AKT1 с помощью PM2,5 приводит к значительному повышению экспрессии MMP-13 и стимулирует миграцию и инвазию клеток ГЦК. Это исследование показывает, что воздействие PM2,5 способствует развитию ГЦК и объясняет потенциальный молекулярный механизм этого эффекта [33].

• H.    Deng et al. проанализировали истории болезней 20 221 пациента с ГЦК из регистра рака штата Калифорния (США) с использованием модели пропорционального риска (регрессии Кокса) и пришли к заключению, что воздействие высоких концентраций РМ2,5 может сократить выживаемость пациентов с ГЦК [34]. В результате анализа данных литературы R. Li et al. предложили ранжировать влияние РМ2,5 на развитие ЗНО, в

том числе РЛ, по нескольким группам: 1) активация онкогенов, опосредованная микроРНК; 2) мутации в генах; 3) инактивация супрессоров опухолей посредством ДНК-метилирования; 4) нарушение микроокружения клеток легких; 5) усиление процессов аутофагии и апоптоза [24].

C. Liu et al. изучили экспрессию микроРНК и информационной РНК (иРНК), а также их взаимодействие в клетках бронхиального эпителия после воздействия РМ2,5. Гены slc30a1 , serpinb2 и akr1c1 , обладающие повышенной экспрессией, были идентифицированы как мишени для микроРНК miR-182 и miR-185 . Кроме того, повышенная экспрессия этих генов была обнаружена и у пациентов, страдающих РЛ. Таким образом, воздействие РМ2,5, вероятно, приводит к изменению экспрессии miR-182 и miR-185 и, соответственно, их генов-мишеней, что может способствовать канцерогенезу легких [22].

Мутациям в генах, обусловленным воздействием РМ2,5, посвящено много исследований, из которых следует, что они могут взаимодействовать с ДНК, вызывая образование ДНК-аддуктов, и, как следствие, нарушать работу генов и усиливать мутагенез [35–38]. Инактивация генов онкосупрессоров путем ДНК-метилирования достаточно часто встречается в раковых опухолях. В частности, ген белка p53, хорошо известного «стража генома», был обнаружен инактивированным в опытах на клетках немелкоклеточного РЛ (НМРЛ) [29]. W. Zhou et al. исследовали изменение метилирования генома и промотора гена p53 как результат воздействия низких концентраций РМ2,5 на клетки бронхиального эпителия человека (BEAS-2B). Показано снижение уровня геномного метилирования, сопряженное со снижением экспрессии гена ДНК-метилтрансферазы DNMT1. При этом был отмечен высокий уровень метилирования промотора гена p53 на фоне повышенной экспрессии другой ДНК-метилтрансферазы DNMT3B как результат работы связки АФК-киназа Akt-DNMT3B. По мнению авторов, активность данного внутриклеточного сигнального пути не только объясняет возможное развитие ЗНО под воздействием PM2,5 из воздуха, но и может стать путеводной нитью для предотвращения их негативного влияния [30].

Установлено, что клеточное микроокружение влияет на поведение опухоли [39, 40]. B. Yang et al. исследовали влияние РМ2,5 на линии клеток аденокарциномы легких A549 (альвеолярный базальный эпителий) и НМРЛ H1299 (клетки легочного эпителия, выделенные из метастазов в лимфатическом узле). Транскриптомный анализ посредством секвенирования иРНК клеток показал, что РМ2,5 вызывают увеличение инвазивного и пролиферативного потенциала этих клеток. В результате моделирования и реконструкции сети белок-белковых взаимодействий авторы выделили два гена с наиболее повышенной экспрессией – ин- терлейкина IL1B и матриксной металлопротеиназы MMP-1 – как ключевые регуляторы, опосредующие эффекты PM2,5 [31]. Следует отметить, что повышенная активность металлопротеиназ обычно свидетельствует о худшем прогнозе.

H. Wei et al. обнаружили, что РМ2,5 могут индуцировать эпителиально-мезенхимальный переход и влиять на свойства стволовых раковых клеток в культуре клеток аденокарциномы легких A549. Обнаружено также, что как кратковременное, так и хроническое воздействие РМ2,5 повышает клеточную миграцию и инвазию, снижает экспрессию иРНК эпителиальных маркеров и увеличивает экспрессию иРНК мезенхимальных маркеров. Дополнительно отмечено, что хронизация процесса усиливает эпителиально-мезенхимальный переход (ЭМП) и проявление стволового потенциала раковых клеток. При ЭМП покоящиеся эпителиальные клетки теряют свои межклеточные контакты и при- нимают мезенхимальную форму. Они приобретают способность к миграции через базальную мембрану, а значит, могут по кровеносному или лимфатическому руслу попасть в любые, сколь угодно отдаленные от своего исходного местонахождения, иногда при участии фибробластов [41]. А.П. Лыков и соавт. выявили высокий пролиферативный потенциал и устойчивость к окислительному стрессу у опухоль-ассоциированных мезенхимных стволовых клеток из ткани химически индуцированной опухоли молочной железы крыс. Установлено, что мезенхимные стволовые клетки обладают тропизмом к опухолям, способствуют их росту и метастазированию [43]. В основе данного эффекта лежит паракринное влияние секретируемых мезенхимными стволовыми клетками факторов, приводящее к снижению экспрессии Е-кадгерина и повышению экспрессии протеинов, необходимых для реализации ЭМП (N-кадгерин, виментин, фи-

Рис. 1. Влияние взвешенных частиц PM2,5 на развитие онкологических заболеваний. Формализованное описание, платформа BioUML.

Примечание: актив. – активация, ингиб. – ингибирует, индуц. – индуцирует, сниж. – снижает, усилив. – усиливает, АФА – активные формы азота, АФК – активные формы кислорода, мСОД2 – митохондриальная супероксиддисмутаза 2 Fig. 1. A formalized description of the effect of air pollution by the particulate matter PM2.5 in pathogenesis of cancer

бронектин) [43]. Кроме того, стромальные клетки РЛ секретируют такие молекулы, как трансформирующий фактор роста бета 1 (TGF-β1), который вызывает эпителиально-мезенхимальный переход в опухолевых клетках, облегчая их инвазию, стволовость и метастазирование. Следовательно, TGF-β1 является одним из наиболее важных тканевых факторов, секретируемых при развитии эпителиальных опухолей [44]. В.Е. Шевченко и соавт. методом протеомной масс-спектрометрии высокого разрешения изучили молекулярные механизмы действия TGF-β1 на клетки A549. Повышенная экспрессия TGF-β1 в ЗНО способствовала ангиогенезу, супрессии иммунной системы, а также выживанию раковых клеток, увеличивая их рост, миграцию и инвазию [45]. Помимо перечисленных выше эффектов, РМ2,5, проникая в клетки опухоли, способны вызывать значимый рост уровня АФК и аутофагию. Впоследствии эти процессы стимулируют миграцию раковых клеток, инвазию и эпителиально-мезенхимальный переход [46, 47].

Таким образом, на основе литературных данных можно заключить, что канцерогенез является результатом взаимодействия генетических, эпигенетических и факторов окружающей среды. Основными моментами патогенеза онкологических заболеваний являются повреждение генома эпителиальной клетки, изменения в метилилирова-нии ДНК, экспрессии микроРНК, моделировании хроматина и посттранскрипционных регуляторов,