تقييم السمية الجينية هو تقييم العوامل لقدرتها على إحداث أي من الأنواع الثلاثة العامة للتغييرات (الطفرات) في المادة الوراثية (DNA): الجين والكروموسومات والجينوم. في الكائنات الحية مثل البشر ، تتكون الجينات من الحمض النووي ، والذي يتكون من وحدات فردية تسمى قواعد النوكليوتيدات. يتم ترتيب الجينات في هياكل فيزيائية منفصلة تسمى الكروموسومات. يمكن أن تؤدي السمية الجينية إلى تأثيرات كبيرة لا رجعة فيها على صحة الإنسان. يعتبر الضرر الناجم عن السمية الجينية خطوة حاسمة في تحريض السرطان ويمكن أن يشارك أيضًا في تحريض العيوب الخلقية وموت الجنين. يمكن أن تحدث الفئات الثلاث من الطفرات المذكورة أعلاه داخل أي من نوعي الأنسجة التي تمتلكها الكائنات الحية مثل البشر: الحيوانات المنوية أو البويضات (الخلايا الجرثومية) والأنسجة المتبقية (الخلايا الجسدية).

المقايسات التي تقيس طفرة الجينات هي تلك التي تكشف عن استبدال أو إضافة أو حذف النيوكليوتيدات داخل الجين. المقايسات التي تقيس طفرة الكروموسومات هي تلك التي تكشف عن الانكسارات أو إعادة ترتيب الكروموسومات التي تنطوي على كروموسوم واحد أو أكثر. المقايسات التي تقيس الطفرات الجينومية هي تلك التي تكتشف التغيرات في عدد الكروموسومات ، وهي حالة تسمى اختلال الصيغة الصبغية. لقد تغير تقييم السمية الجينية بشكل كبير منذ أن قام هيرمان مولر في عام 1927 بتطوير أول مقايسة لاكتشاف العوامل السامة للجينات (المطفرة). ومنذ ذلك الحين ، تم تطوير أكثر من 200 فحص تقيس الطفرات في الحمض النووي. ومع ذلك ، يتم استخدام أقل من عشرة فحوصات بشكل شائع اليوم لتقييم السمية الوراثية. تستعرض هذه المقالة هذه المقايسات ، وتصف ما تقيسه ، وتستكشف دور هذه المقايسات في تقييم السمية.

تحديد مخاطر السرطان قبل تطوير علم السموم الوراثي الميداني

أصبح علم السموم الوراثي جزءًا لا يتجزأ من عملية تقييم المخاطر الشاملة واكتسب مكانة في الآونة الأخيرة كمؤشر موثوق للنشاط المسبّب للسرطان. ومع ذلك ، قبل تطوير علم السموم الوراثي (قبل عام 1970) ، كانت طرق أخرى وما زالت تستخدم لتحديد مخاطر السرطان المحتملة على البشر. هناك ست فئات رئيسية من الأساليب المستخدمة حاليًا لتحديد مخاطر الإصابة بالسرطان البشري: الدراسات الوبائية ، والمقايسات الحيوية طويلة المدى في الجسم الحي ، والمقايسات الحيوية متوسطة المدى في الجسم الحي ، والمقايسات الحيوية قصيرة المدى في الجسم الحي وفي المختبر ، والذكاء الاصطناعي (نشاط الهيكل) ، والاستدلال القائم على الآلية.

يعطي الجدول 1 مزايا وعيوب هذه الأساليب.

الجدول 1. مزايا وعيوب الأساليب الحالية لتحديد مخاطر الإصابة بالسرطان البشري

الأساس المنطقي والمفاهيمي لمقايسات علم السموم الوراثي

على الرغم من أن الأنواع والأعداد الدقيقة للمقايسات المستخدمة لتقييم السمية الجينية تتطور باستمرار وتختلف من بلد إلى آخر ، فإن أكثرها شيوعًا تشمل فحوصات (1) طفرة جينية في البكتيريا و / أو خلايا الثدييات المستزرعة و (2) طفرة صبغية في خلايا الثدييات المستزرعة و / أو نخاع العظام داخل الفئران الحية. يمكن لبعض الاختبارات ضمن هذه الفئة الثانية أيضًا اكتشاف اختلال الصيغة الصبغية. على الرغم من أن هذه المقايسات لا تكتشف الطفرات في الخلايا الجرثومية ، إلا أنها تستخدم في المقام الأول بسبب التكلفة الإضافية والتعقيد في إجراء فحوصات الخلايا الجرثومية. ومع ذلك ، يتم استخدام فحوصات الخلايا الجرثومية في الفئران عندما تكون المعلومات حول تأثيرات الخلايا الجرثومية مطلوبة.

أدت الدراسات المنهجية على مدى فترة 25 عامًا (1970-1995) ، خاصة في البرنامج الوطني الأمريكي لعلم السموم في ولاية كارولينا الشمالية ، إلى استخدام عدد منفصل من المقايسات للكشف عن نشاط العوامل المسببة للطفرات. استند الأساس المنطقي لتقييم فائدة المقايسات إلى قدرتها على اكتشاف العوامل التي تسبب السرطان في القوارض والتي يشتبه في أنها تسبب السرطان لدى البشر (أي المواد المسرطنة). وذلك لأن الدراسات التي أجريت خلال العقود العديدة الماضية أشارت إلى أن الخلايا السرطانية تحتوي على طفرات في جينات معينة وأن العديد من المواد المسرطنة هي أيضًا مطفرة. وبالتالي ، يُنظر إلى الخلايا السرطانية على أنها تحتوي على طفرات في الخلايا الجسدية ، ويُنظر إلى التسرطن على أنه نوع من طفرات الخلايا الجسدية.

تم اختيار مقايسات السمية الوراثية الأكثر شيوعًا اليوم ليس فقط بسبب قاعدة بياناتها الكبيرة ، والتكلفة المنخفضة نسبيًا ، وسهولة الأداء ، ولكن لأنه ثبت أنها تكشف عن العديد من القوارض ، ومن المفترض أنها تكتشف مسببات السرطان البشرية. وبالتالي ، يتم استخدام فحوصات السمية الوراثية للتنبؤ بإمكانية التسبب في الإصابة بالسرطان من العوامل.

كان التطور المفاهيمي والعملي المهم في مجال علم السموم الوراثي هو الاعتراف بأن العديد من المواد المسرطنة قد تم تعديلها بواسطة الإنزيمات داخل الجسم ، مما أدى إلى تكوين أشكال متغيرة (نواتج الأيض) التي كانت في كثير من الأحيان الشكل النهائي المسرطنة والمطفرة للمادة الكيميائية الأم. لتكرار هذا التمثيل الغذائي في طبق بتري ، أظهر Heinrich Malling أن تضمين مستحضر من كبد القوارض يحتوي على العديد من الإنزيمات اللازمة لإجراء هذا التحويل الأيضي أو التنشيط. وبالتالي ، فإن العديد من فحوصات السمية الوراثية التي يتم إجراؤها في الأطباق أو الأنابيب (في المختبر) تستخدم إضافة مستحضرات إنزيمية مماثلة. تسمى الاستعدادات البسيطة S9 mix ، والمستحضرات النقية تسمى microsomes. تمت الآن هندسة بعض الخلايا البكتيرية والثديية وراثيًا لاحتواء بعض الجينات من القوارض أو البشر التي تنتج هذه الإنزيمات ، مما يقلل من الحاجة إلى إضافة مزيج S9 أو ميكروسومات.

فحوصات وتقنيات علم السموم الوراثي

النظم البكتيرية الأولية المستخدمة في فحص السمية الوراثية هي مقايسة الطفرات السالمونيلا (أميس) ، وبدرجة أقل بكثير ، سلالة WP2 من السالمونيلا (Ames). كولاي. أشارت الدراسات في منتصف الثمانينيات إلى أن استخدام سلالتين فقط من نظام السالمونيلا (TA1980 و TA98) كان كافياً لاكتشاف ما يقرب من 100٪ من مطفرات السالمونيلا المعروفة. وبالتالي ، يتم استخدام هاتين السلالتين في معظم أغراض الفحص ؛ ومع ذلك ، تتوفر سلالات أخرى مختلفة لإجراء اختبارات أكثر شمولاً.

يتم إجراء هذه المقايسات بعدة طرق ، ولكن هناك إجراءان عامان هما مقايسات التضمين الصفيحي ومقايسات التعليق السائل. في اختبار دمج الصفيحة ، تتم إضافة الخلايا والمادة الكيميائية للاختبار و (عند الرغبة) S9 معًا في أجار مُسال ويُسكب على سطح صفيحة بتري أجار. يصلب الأجار العلوي في غضون بضع دقائق ، ويتم تحضين الصفائح لمدة يومين إلى ثلاثة أيام ، وبعد ذلك نمت الخلايا الطافرة لتشكل مجموعات من الخلايا يمكن اكتشافها بصريًا تسمى المستعمرات ، والتي يتم حسابها بعد ذلك. يحتوي وسط الأجار على عوامل انتقائية أو يتكون من مكونات بحيث تنمو الخلايا المتحولة حديثًا فقط. يتشابه مقايسة الحضانة السائلة ، باستثناء الخلايا وعامل الاختبار و S9 معًا في سائل لا يحتوي على أجار مسال ، ثم يتم غسل الخلايا خالية من عامل الاختبار و S9 وبذرها على أجار.

تم الكشف عن الطفرات في خلايا الثدييات المستزرعة بشكل أساسي في أحد الجينين: com.hprt و tk. على غرار المقايسات البكتيرية ، تتعرض سلالات خلايا الثدييات (التي تم تطويرها من القوارض أو الخلايا البشرية) لعامل الاختبار في أطباق أو أنابيب الزراعة البلاستيكية ثم يتم زرعها في أطباق المزرعة التي تحتوي على وسيط مع عامل انتقائي يسمح فقط للخلايا الطافرة بالنمو . تشمل الاختبارات المستخدمة لهذا الغرض CHO / HPRT ، و TK6 ، والورم الليمفاوي للفأر L5178Y / TK^+/- المقاييس. تُستخدم أيضًا خطوط خلوية أخرى تحتوي على طفرات إصلاح مختلفة للحمض النووي وكذلك تحتوي على بعض الجينات البشرية المشاركة في عملية التمثيل الغذائي. تسمح هذه الأنظمة باستعادة الطفرات داخل الجين (الطفرة الجينية) وكذلك الطفرات التي تشمل مناطق من الكروموسوم المرافقة للجين (طفرة صبغية). ومع ذلك ، يتم استرداد هذا النوع الأخير من الطفرة إلى حد أكبر بكثير بواسطة tk أنظمة الجينات من com.hprt أنظمة الجينات بسبب موقع tk الجينات.

على غرار مقايسة الحضانة السائلة للطفرات البكتيرية ، تتضمن فحوصات الطفرات الجينية لخلايا الثدييات عمومًا تعرض الخلايا في أطباق أو أنابيب المزرعة في وجود عامل الاختبار و S9 لعدة ساعات. يتم بعد ذلك غسل الخلايا واستزراعها لعدة أيام أخرى للسماح بتحلل المنتجات الجينية الطبيعية (من النوع البري) والتعبير عن المنتجات الجينية الطافرة حديثًا وتجميعها ، ثم يتم زرعها في وسط يحتوي على عامل انتقائي يسمح فقط الخلايا الطافرة لتنمو. مثل المقايسات البكتيرية ، تنمو الخلايا الطافرة في مستعمرات يمكن اكتشافها بصريًا يتم عدها بعد ذلك.

يتم التعرف على طفرة الكروموسومات بشكل أساسي عن طريق المقايسات الوراثية الخلوية ، والتي تتضمن تعريض القوارض و / أو القوارض أو الخلايا البشرية في أطباق المزرعة لمادة كيميائية اختبار ، مما يسمح بحدوث انقسام خلوي واحد أو أكثر ، وتلطيخ الكروموسومات ، ثم فحص الكروموسومات بصريًا من خلال المجهر للكشف عن التغيرات في بنية أو عدد الكروموسومات. على الرغم من أنه يمكن فحص مجموعة متنوعة من نقاط النهاية ، فإن النقطتين اللتين تم قبولهما حاليًا من قبل الهيئات التنظيمية باعتبارها الأكثر أهمية هما الانحرافات الصبغية وفئة فرعية تسمى النوى الصغيرة.

مطلوب قدر كبير من التدريب والخبرة لتسجيل الخلايا لوجود الانحرافات الصبغية ، مما يجعل هذا الإجراء مكلفًا من حيث الوقت والمال. في المقابل ، تتطلب النوى الصغيرة القليل من التدريب ، ويمكن أتمتة اكتشافها. تظهر النوى الصغيرة كنقاط صغيرة داخل الخلية تختلف عن النواة التي تحتوي على الكروموسومات. تنتج النوى الدقيقة إما عن كسر الكروموسوم أو من اختلال الصيغة الصبغية. نظرًا لسهولة تسجيل النوى الصغيرة مقارنةً بالانحرافات الصبغية ، ولأن الدراسات الحديثة تشير إلى أن العوامل التي تحفز الانحرافات الصبغية في نخاع العظام للفئران الحية تحفز عمومًا النوى الصغيرة في هذا النسيج ، يتم الآن قياس النوى الصغيرة بشكل شائع كمؤشر على قدرة عامل للحث على طفرة الكروموسومات.

على الرغم من استخدام مقايسات الخلايا الجرثومية بشكل أقل تكرارًا من المقايسات الأخرى الموصوفة أعلاه ، إلا أنها لا غنى عنها في تحديد ما إذا كان العامل يشكل خطرًا على الخلايا الجرثومية ، وهي الطفرات التي يمكن أن تؤدي إلى آثار صحية في الأجيال التالية. أكثر فحوصات الخلايا الجرثومية شيوعًا هي في الفئران ، وتتضمن الأنظمة التي تكتشف (1) النقلات الوراثية (التبادلات) بين الكروموسومات (مقايسة الانتقال الوراثي) ، (2) الطفرات الجينية أو الصبغية التي تنطوي على جينات محددة (موضع محدد أو كيميائي حيوي محدد) المقايسات) ، و (3) الطفرات التي تؤثر على قابلية الحياة (المقايسة القاتلة السائدة). كما هو الحال مع فحوصات الخلايا الجسدية ، فإن الافتراض العملي مع فحوصات الخلايا الجرثومية هو أن العوامل الإيجابية في هذه المقايسات يُفترض أنها مطافرات محتملة للخلايا الجرثومية البشرية.

الوضع الراهن وآفاق المستقبل

أشارت الدراسات الحديثة إلى أن ثلاثة أجزاء فقط من المعلومات كانت ضرورية لاكتشاف ما يقرب من 90٪ من مجموعة من 41 مادة مسرطنة للقوارض (مثل مسببات السرطان المفترضة للإنسان ومطفرات الخلايا الجسدية). وشملت هذه (1) معرفة التركيب الكيميائي للعامل ، خاصةً إذا كان يحتوي على شقوق محبة للكهرباء (انظر القسم الخاص بعلاقات التركيب والنشاط) ؛ (2) بيانات طفرات السالمونيلا ؛ و (3) بيانات من فحص السمية المزمنة لمدة 90 يومًا في القوارض (الفئران والجرذان). في الواقع ، يمكن اكتشاف جميع مسببات السرطان البشرية المُعلن عنها من قبل IARC كمطفرات باستخدام مقايسة السالمونيلا وفحص نقي عظم الفأر. يتم دعم استخدام فحوصات الطفرات هذه للكشف عن مسببات السرطان البشرية المحتملة من خلال اكتشاف أن معظم المواد المسرطنة البشرية هي مواد مسرطنة في كل من الجرذان والفئران (مسببات السرطان العابرة للأنواع) وأن معظم مسببات السرطان العابرة للأنواع مسببة للطفرات في السالمونيلا و / أو تحفز النوى الدقيقة في نخاع عظم الفأر.

مع التقدم في تكنولوجيا الحمض النووي ، ومشروع الجينوم البشري ، والفهم المحسن لدور الطفرة في السرطان ، يتم تطوير فحوصات السمية الجينية الجديدة التي من المحتمل أن يتم دمجها في إجراءات الفحص القياسية. من بينها استخدام الخلايا المعدلة وراثيا والقوارض. الأنظمة المعدلة وراثيًا هي تلك التي يتم فيها إدخال جين من نوع آخر إلى خلية أو كائن حي. على سبيل المثال ، تُستخدم الفئران المعدلة وراثيًا حاليًا في الاستخدام التجريبي الذي يسمح باكتشاف الطفرة في أي عضو أو نسيج للحيوان ، بناءً على إدخال جين بكتيري في الفأر. تتوفر الآن الخلايا البكتيرية ، مثل السالمونيلا ، وخلايا الثدييات (بما في ذلك خطوط الخلايا البشرية) التي تحتوي على الجينات المشاركة في عملية التمثيل الغذائي للعوامل المسببة للسرطان / الطفرات ، مثل جينات P450. التحليل الجزيئي للطفرات الفعلية المستحثة في الجين العابر داخل القوارض المعدلة وراثيا ، أو داخل الجينات الأصلية مثل com.hprt، أو يمكن الآن إجراء الجينات المستهدفة داخل السالمونيلا ، بحيث يمكن تحديد الطبيعة الدقيقة للطفرات التي تحدثها المواد الكيميائية ، مما يوفر نظرة ثاقبة على آلية عمل المادة الكيميائية ويسمح بإجراء مقارنات مع الطفرات في البشر المعرضين المفترض للعامل. .

تتيح التطورات الجزيئية في علم الوراثة الخلوية الآن تقييمًا أكثر تفصيلاً للطفرات الصبغية. وتشمل هذه استخدام المجسات (قطع صغيرة من الحمض النووي) التي تربط (تهجين) بجينات معينة. يمكن بعد ذلك الكشف عن إعادة ترتيب الجينات على الكروموسوم من خلال الموقع المتغير للمسبارات ، والتي تكون متألقة ويمكن تصورها بسهولة على أنها قطاعات ملونة على الكروموسومات. يسمح اختبار الرحلان الكهربي أحادي الخلية لكسر الحمض النووي (المعروف باسم مقايسة "المذنب") باكتشاف فواصل الحمض النووي داخل الخلايا المفردة وقد يصبح أداة مفيدة للغاية بالاشتراك مع تقنيات الوراثة الخلوية للكشف عن تلف الكروموسومات.

بعد سنوات عديدة من الاستخدام وإنشاء قاعدة بيانات كبيرة ومتطورة بشكل منهجي ، يمكن الآن إجراء تقييم السمية الجينية ببضع فحوصات بتكلفة صغيرة نسبيًا في فترة زمنية قصيرة (أسابيع قليلة). يمكن استخدام البيانات التي تم إنتاجها للتنبؤ بقدرة العامل على أن يكون قوارضًا ، ومن المفترض أنه مادة مسرطنة بشرية / مطفرة للخلايا الجسدية. هذه القدرة تجعل من الممكن الحد من إدخال العوامل المسببة للطفرات والمسرطنات في البيئة وتطوير عوامل بديلة غير مسببة للطفرات. يجب أن تؤدي الدراسات المستقبلية إلى طرق أفضل مع قدر أكبر من التنبؤ من المقايسات الحالية.

الرجوع