Смесь трёх бисфенолов нарушила развитие ткани молочной железы

В эксперименте на человеческих органоидах низкие дозы химических веществ изменили формирование ткани и оставили молекулярные признаки, которые встречаются при некоторых формах рака груди

Когда три вещества действуют иначе, чем каждое по отдельности

При оценке химической безопасности вещества обычно изучают по отдельности. Но человеческий организм практически никогда не сталкивается только с одним соединением. В пище, воде, бытовых материалах и окружающей среде присутствуют разнообразные химические вещества, которые могут одновременно воздействовать на клетки.

Исследователи из Университета Тафтса и Бостонского университета решили проверить, как такие сочетания влияют на развитие человеческой ткани молочной железы.

Особое внимание привлекли три бисфенола:

• BPA — бисфенол А, применявшийся при производстве некоторых пластиков и защитных покрытий.
• BPS — бисфенол S, используемый в том числе как заменитель BPA.
• BPF — бисфенол F, ещё один представитель того же химического семейства.

Бисфенолы относятся к веществам, способным вмешиваться в работу эндокринной системы. Некоторые из них взаимодействуют с молекулярными механизмами, регулирующими действие гормонов, включая эстрогены.

Это особенно существенно для молочной железы. В отличие от многих органов, она проходит несколько продолжительных этапов развития уже после рождения, в том числе во время полового созревания и беременности. На этих этапах гормональные сигналы определяют, как клетки делятся, специализируются и образуют сложные тканевые структуры.

Поэтому исследователей интересовало не только возможное повреждение отдельных клеток, но и изменение самой программы формирования ткани.

Как изучали химические вещества на живой человеческой ткани

Учёные использовали органоиды — трёхмерные лабораторные модели, выращенные из клеток нормальной ткани молочной железы.

В отличие от обычной клеточной культуры, где клетки располагаются преимущественно в одном слое, органоиды воспроизводят некоторые особенности пространственной организации настоящего органа. В них присутствуют разные клеточные популяции, взаимодействующие между собой при формировании тканевых структур.

Материал для исследования получили от 13 здоровых молодых женщин.

В течение примерно трёх недель учёные наблюдали за развитием органоидов, подвергая их воздействию различных химических веществ и их сочетаний. Оценивали количество сформировавшихся структур, их размеры, сложность строения и молекулярные изменения.

Наиболее показательный эксперимент со смесью BPA, BPS и BPF проводили на органоидах, полученных от шести доноров.

Концентрация каждого бисфенола составляла всего 5 наномолей на литр. Исследователи выбрали такие значения с учётом концентраций, обнаруживаемых при биомониторинге человека, в частности при анализе мочи.

Результат оказался необычным.

При воздействии каждого бисфенола по отдельности в этой концентрации статистически значимых нарушений развития органоидов не обнаружили.

Но смесь всех трёх веществ изменила картину.

У пяти из шести доноров уменьшилось количество формирующихся органоидов. У некоторых образовывались структуры необычной формы или менялся характер их развития. В совокупности признаки нарушения формирования ткани обнаружили во всех шести донорских образцах, хотя конкретные изменения различались.

При этом исследование не установило точный механизм взаимодействия трёх бисфенолов. Поэтому пока нельзя утверждать, что речь идёт о доказанном синергизме, при котором совместный эффект превышает сумму отдельных воздействий.

Изменения затронули не только форму, но и поведение клеток

Самые интересные результаты появились после анализа активности генов.

В органоидах, подвергавшихся воздействию смеси бисфенолов, изменились программы, отвечающие за клеточные контакты, организацию ткани и её взаимодействие с окружающей средой.

Исследователи обнаружили усиление активности генов, связанных с перестройкой внеклеточного матрикса.

Внеклеточный матрикс — это сеть белков и других молекул, окружающая клетки. Она выполняет не только опорную функцию, но и передаёт сигналы, влияющие на рост, движение и специализацию клеток.

Одновременно ослабевала активность ряда генов, поддерживающих характерные свойства эпителиальных клеток молочной железы.

Особое внимание привлекли признаки частичного эпителиально-мезенхимального перехода (EMT).

В нормальном эпителии клетки образуют упорядоченные слои и прочно соединены друг с другом. При EMT некоторые свойства клеток меняются: ослабевают межклеточные контакты, повышается способность перестраивать окружающую ткань, а иногда и перемещаться.

Подобные программы необходимы при эмбриональном развитии и заживлении повреждений. Но они также участвуют в патологических процессах, включая прогрессирование некоторых опухолей.

Важно, что исследователи обнаружили признаки активации отдельных программ EMT, а не доказательство полного превращения клеток в другой тип или приобретения ими злокачественных свойств.

И всё же наблюдение представляет интерес: химическая смесь влияла не просто на скорость роста органоидов, а на молекулярные механизмы, определяющие организацию ткани.

Молекулярный след, который может сохранять память о воздействии

Следующий результат связан с эпигенетикой.

ДНК содержит последовательность генов, но их активность зависит не только от самой последовательности. Клетки используют дополнительные механизмы регулирования, позволяющие включать одни гены и подавлять другие.

Один из таких механизмов — метилирование ДНК. При нём к определённым участкам молекулы присоединяются небольшие химические группы, которые могут влиять на работу генов.

Это похоже на систему настроек: генетический текст остаётся прежним, но меняется способ его использования.

После воздействия смеси бисфенолов исследователи обнаружили многочисленные изменения метилирования ДНК.

Здесь возникает важная гипотеза.

Если химическое воздействие меняет эпигенетические настройки развивающейся ткани, часть этих изменений теоретически может сохраняться даже после прекращения контакта с веществом.

Такой устойчивый молекулярный рисунок мог бы стать своеобразным следом прежнего воздействия.

Руководитель исследования Шарлотта Купервассер сравнивает подобные изменения с молекулярным «шрамом».

Однако это пока гипотеза. В эксперименте показали изменения метилирования ДНК, но не доказали, что они сохраняются в человеческом организме годами или десятилетиями.

Также остаётся неизвестным, могут ли такие изменения самостоятельно повышать вероятность возникновения рака.

Бисфенолы и рак молочной железы: где заканчиваются доказательства

Чтобы оценить возможную связь результатов с онкологическими заболеваниями, исследователи сравнили молекулярные изменения в органоидах с данными о человеческих опухолях молочной железы.

Наиболее выраженное сходство обнаружилось с инвазивной лобулярной карциномой.

Это одна из основных гистологических разновидностей рака молочной железы. Она развивается из клеток железистых структур и часто отличается характером роста от более распространённой инвазивной протоковой карциномы.

Лобулярные опухоли нередко растут менее компактно, поэтому не всегда образуют хорошо определяемый узел и могут быть сложнее для выявления при маммографии.

В нескольких независимых наборах данных исследователи обнаружили, что характерный для воздействия смеси бисфенолов рисунок активности генов чаще встречался в лобулярных опухолях, особенно относящихся к гормонозависимым подтипам.

Кроме того, некоторые изменения метилирования ДНК, связанные с экспериментальным воздействием, обнаруживались в опухолевых образцах и тканях, расположенных рядом с опухолью.

Но молекулярное сходство не означает одинаковую причину возникновения изменений.

Одни и те же клеточные программы могут активироваться при развитии нормальной ткани, воспалении, восстановлении после повреждения и онкологических заболеваниях.

Поэтому по результатам этой работы нельзя утверждать, что бисфенолы вызывают лобулярный рак. Неизвестно также, были ли пациентки, чьи опухоли вошли в сравнительные базы данных, действительно подвергнуты воздействию именно такой смеси веществ.

Исследование показывает другое: воздействие распространённых химических соединений способно формировать в нормальной ткани молекулярное состояние, имеющее определённые общие черты с состояниями, наблюдаемыми при раке.

Это основание для дальнейших исследований, но ещё не доказанный механизм канцерогенеза.

Почему маркировка BPA-free не решает всех вопросов

Практическое значение работы выходит за пределы лаборатории.

В последние годы использование бисфенола А ограничивается во многих странах. В Европейском союзе приняты дополнительные ограничения на его применение в материалах, контактирующих с пищевыми продуктами.

Одновременно производители стали использовать альтернативные вещества, включая BPS и BPF.

Но замена одного бисфенола другим не обязательно устраняет все потенциальные биологические эффекты. Европейское химическое агентство (ECHA), в частности, указывает на обеспокоенность гормональными и репродуктивными эффектами BPS, применяемого как заменитель BPA в термобумаге.

Новое исследование добавляет к этому обсуждению принципиальную деталь: необходимо изучать не только безопасность каждого заменителя, но и последствия их одновременного воздействия.

При этом эксперимент не позволяет рассчитать риск заболевания от конкретной упаковки, пищевого контейнера или кассового чека. Он также не доказывает, что бытовое устранение этих материалов снижает вероятность рака молочной железы.

Для потребителя важен более точный принцип: надпись BPA-free означает отсутствие конкретного вещества, но сама по себе не гарантирует отсутствия других бисфенолов или полной безопасности материала по всем токсикологическим показателям.

Можно ли будет заранее обнаружить повышенный риск рака

В перспективе исследователи рассматривают возможность использования молекулярных изменений как биомаркеров.

Биомаркер — это измеряемый биологический показатель, который помогает оценивать состояние организма, воздействие определённого фактора или вероятность заболевания.

Если удастся доказать, что определённый эпигенетический рисунок устойчиво сохраняется после химического воздействия и действительно связан с последующим развитием рака, его можно будет изучать как потенциальный инструмент оценки риска.

Это могло бы дополнить существующие подходы к профилактике и раннему выявлению опухолей.

Но между нынешним экспериментом и клиническим тестом остаётся значительное расстояние.

Прежде всего необходимо:

• Проверить результаты на значительно большем количестве донорских образцов.
• Установить, какие сочетания и концентрации веществ действительно воздействуют на ткань молочной железы внутри человеческого организма.
• Определить, сохраняются ли эпигенетические изменения после прекращения воздействия.
• Выяснить, предсказывают ли обнаруженные молекулярные признаки развитие заболевания при длительном наблюдении за людьми.
• Проверить, позволяют ли эти признаки оценивать риск точнее уже существующих клинических инструментов.

Есть и принципиальное ограничение самого эксперимента. Органоиды воспроизводят лишь часть биологии человеческой молочной железы. Они не отражают полностью работу иммунной системы, обмен веществ, гормональные колебания и многолетнее воздействие окружающей среды.

Поэтому полученные результаты пока не являются основанием для изменения рекомендаций по скринингу рака молочной железы или назначения дополнительных обследований.