Genetická toxikológia

Mutagény indukujú rôzne druhy mutácií v rôznej frekvencii a rozdiely sú aj v indukcii spätných mutácií. Od prvej indukovanej mutácie röntgenovým (RTG) žiarením koncom 20. rokov 20. storočia začala éra mutačného šľachtenia pomocou fyzikálnych a chemických mutagénov. Neskôr sa prišlo na to, že mutagény môžu mať nepriaznivý vplyv na človeka, a tak sa začalo s ich obmedzovaním a kontrolovaním. Okrem toho sa začalo aj s kontrolovaním priemyselne vyrábaných chemikálií, ako sú farby na vlasy, pesticídy, herbicídy, insekticídy, fungicídy, lieky, prídavky do krmív hospodárskych zvierat a pod.

Genetická toxikológia (genotoxikológia) je mladá interdisciplinárna veda, ktorej predmetom výskumu je identifikácia mutagénneho a karcinogénneho účinku chemických, fyzikálnych a biologických agensov (vírusov) a ich dopad na zdravie a genetický materiál človeka. Pod genetickým rizikom sa rozumie schopnosť environmentálneho faktora vyvolávať v pohlavných bunkách človeka mutácie, ktoré determináciou dedičných ochorení negatívne ovplyvňujú kvalitu ľudského genofondu, zvyšujú reprodukčné straty, uplatňujú sa pri niektorých druhoch vrodených defektov a vývojových vád. Mutácie v somatických bunkách sa nededia, ale zapríčiňujú predčasné starnutie a môžu viesť k iniciácii procesov karcinogenézy.

Genotoxické testy

Na detekciu mutácií boli v 70. rokoch 20. storočia vytvorené batérie genotoxických testov. Využívajú rôzne modelové systémy, ktorých výber je podmienený vlastnosťami chemickej látky a jej predpokladaným využitím. Vždy je nutné použiť viac testov počnúc od bakteriálnych testov (najznámejší je Amesov test na Salmonella typhimurium), cez testy na cicavčích bunkových kultúrach, končiac testami na hlodavcoch, príp. väčších cicavcoch. Nevýhodou testov je ich často nízka korelácia medzi mutagénnym a karcinogénnym účinkom, variabilita v dôsledku rôznej enzymatickej výbavy buniek, rôzne pôsobenie tej istej alebo príbuznej látky na rôzne taxóny a extrapolácia výsledkov z rôznych modelov na človeka.

Bunková kultúra predstavuje populáciu genotypovo definovaných buniek (napr. cicavčie pečeňové bunky, lymfocyty), ktoré je možné kultivovať (pestovať) na kultivačných médiách za účelom sledovania genotoxického účinku testovaných látok.

Nová chemická látka sa zvyčajne podrobuje trom typom genotoxických testov:

  1. testy na toxicitu - toxicita je schopnosť poškodiť bunku (organizmus) natoľko, že hynie
  2. testy na mutagenitu - mutagenita je schopnosť látky vyvolať zmeny v DNA a indukovať mutácie
  3. testy na karcinogenitu - karcinogenita je schopnosť vyvolávať tvorbu nádorov

Testy na toxicitu

V prípade testov na toxicitu rozlišujeme taktiež tri druhy testov (vo všetkých prípadoch sa použijú varianty s viacerými koncentráciami testovanej látky):

  1. test na akútnu toxicitu - látka sa podá jednorázovo, pričom môžeme stanovovať tzv. index LD50, čo je taká koncentrácia látky, pri ktorej prežíva, resp. hynie 50% jedincov (LD = letálna dávka)
  2. test na subchronickú toxicitu - látka sa podáva každý deň a toxický účinok sa vyhodnocuje po 90 dňoch
  3. test na chronickú toxicitu - látka sa podáva po dobu celej ontogenézy

Testy na mutagenitu

Princípom testov na mutagenitu je použitie špeciálnych kmeňov bakteriálnych alebo eukaryotických buniek, ktoré majú mutáciu v niektorom géne pre enzým zapojený do metabolickej dráhy syntézy určitého esenciálneho produktu (napr. aminokyseliny). Takéto bunky teda nerastú na kultivačných médiách, v ktorých nie je príslušný produkt pridaný, pretože sami si ho vytvoriť nevedia. Mutagén však dokáže svojim účinkom tento gén pozmeniť tak, že syntéza produktu sa obnoví a podľa počtu vyrastených bunkových kolónií odhadujeme silu jeho mutagénneho účinku.

Vplyv mutagénu si netreba predstaviť, že cielene pôsobí len na náš gén. Mutagén zapríčiňuje mutácie v celej DNA a len s určitou frekvenciou spôsobí zmenu v géne pre syntézu potrebného enzýmu, čím obnoví jeho funkciu. Spôsobuje však aj mnohé iné mutácie, takže väčšina buniek jeho vplyvom zahynie.

Pri hodnotení mutagenity existujú testy na špecifickú detekciu génových a chromozómových mutácií. Špeciálnym prípadom je test na metabolickú aktiváciu, ktorý spočíva v testovaní látky v cicavčích pečeňových bunkách (hepatocyty). Týmto testom prechádzajú hlavne látky, ktoré nepreukázali mutagénny účinok v baktériách. Princíp tohto testu spočíva v tom, že pečeňové bunky disponujú enzýmami, ktoré cudzorodé látky modifikujú a zneškodňujú. Niekedy však môže paradoxne dôjsť k aktivácii promutagénnej látky na látku mutagénnu (t.j. metabolická aktivácia), ktorá potom poškodzuje DNA. Testy na cicavčích hepatocytoch sú schopné takýto charakter látky odhaliť.

Testy na karcinogenitu

Každá mutagénna látka je len potenciálne karcinogénna, pretože bunka vlastní reparačné mechanizmy, pomocou ktorých môže premutačnú zmenu v DNA opraviť. Na vznik rakoviny nestačí len jedna mutácia ale je potrebný určitý vývoj, počas ktorého dochádza k fixácii viacerých mutácií v špecifických oblastiach DNA.

Karcinogénna látka nemusí byť nevyhnutne aj mutagénna. Príkladom je napr. etylalkohol, ktorý sám o sebe nie je mutagénny, ale je pre bunky toxický, tzn. že ich zabíja. To núti iné bunky tkaniva deliť sa, aby sa nahradili straty. Enzým, ktorý zodpovedá za replikáciu DNA - DNA-polymeráza, však s určitou veľmi nízkou pravdepodobnosťou robí pri syntéze dcérskej molekuly DNA chyby, čím vznikajú tzv. spontánne mutácie. Ak sa bunkové delenie často opakuje a bunka je navyše pod stresovými podmienkami, môže dôjsť k vzniku a fixácii práve takých mutácií, ktoré zapríčinia transformáciu bunky na rakovinovú. Spontánne mutácie DNA pohlavných buniek sú hlavnou hnacou silou evolúcie druhu, pre samotný organizmus však majú spontánne mutácie genetického materiálu somatických buniek veľmi negatívny vplyv.