— «Мам, я не курил, я просто с ребятами рядом стоял!» — «Ага, а ген LRRN3 тебе тоже ребята экспрессировали?»
По мнению Всемирной организации здравоохранения, курение до сих пор является одной из основных угроз здоровью людей, а никотиновая зависимость считается очень тяжелой. На пачках сигарет «кричат» об опасности устрашающие иллюстрации возможных последствий курения. Однако что на самом деле происходит на молекулярном уровне в организме после вдоха сигаретного дыма? О том, что содержится в сигаретах и табачном дыме помимо никотина, а также о способах вычислить курильщика, рассказывает N + 1.
Этой статьей N + 1 продолжает проект «Когда рассеется дым». Он посвящен курильщикам, никотину, этическим, биохимическим и антропологическим аспектам практик курения, а также фундаментальной науке, которая связана с этим явлением, — токсикологии, вопросам открытости данных и многому другому. Проект подготовлен при поддержке компании «Филип Моррис Интернэшнл» в России. Мнение авторов статей может не совпадать с позицией компании.
Во время курения частицы дыма доставляют никотин в легкие, где он быстро абсорбируется, то есть всасывается в кровь, и поступает в малый круг кровообращения. Далее никотин попадает в большой круг кровообращения и так оказывается в мозге, где связывается с никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами, которые обычно связывают медиатор ацетилхолин. Стимуляция этих рецепторов приводит к высвобождению нейромедиатора – дофамина.
Дофамин является неотъемлемой частью «системы поощрения» нашего мозга и выделяется в больших количествах во время приятных событий – даже во время употребления вкусной еды. В итоге человек вновь и вновь испытывает желание повторять действие, которое в прошлом привело к выбросу дофамина. И, таким образом, связывание никотина с рецепторами дофаминергических нейронов (выделяющих дофамин) – важный этап на пути формирования зависимости от курения, более подробно описанного ранее в другой статье в рамках проекта «Когда рассеется дым».
Большая часть никотина, попавшего в организм курильщика, метаболизируется в печени до котинина, структурно очень похожего на никотин. Несмотря на сходство с никотином, котинин обладает рядом особенностей, позволяющих использовать его в качестве биомаркера воздействия курения – вещества, концентрация которого в человеческом биоматериале может указать, курит человек или нет. Важной характеристикой биомаркера является период его полувыведения – время, за которое вещество потеряет примерно половину своего фармакологического действия. Никотин имеет относительно короткий период полувыведения (около 10-11 часов), в то время как котинин характеризуется более продолжительными значениями (около 17-20 часов) и может обнаруживаться еще в течение нескольких дней после поступления никотина в организм.
Уровень содержания никотина и его метаболита, котинина, может быть оценен в крови, моче, слюне, а также в волосах и ногтях. Исследование мочи – один из наиболее удобных способов по причине того, что это неинвазивный анализ, но измерения никотина и котинина в волосах и слюне могут обеспечить более точное определение курильщика (в том числе пассивного). Несмотря на свою относительную точность анализы на никотин и котинин все-таки основываются лишь на одном компоненте сигарет, а их результаты могут сильно варьироваться в зависимости от индивидуальных особенностей человека. Кроме этого, подобные биомаркеры не дают представления о биохимических изменениях внутри организма в ответ на поступление сигаретного дыма.
Более точно определить статус курильщика может помочь анализ транскриптома – совокупности молекул мРНК (рибонуклеиновой кислоты), образующихся в результате транскрипции генов. Важно, чтобы такие маркеры были высокоспецифичными и чувствительными вне зависимости от индивидуальных особенностей человека, различий между лабораториями, в которых проводятся исследования, и методов выделения нуклеиновых кислот.
Ученые исследовательского центра Philip Morris International с помощью анализа больших массивов данных определили 11 маркеров, основанных на уровне экспрессии генов: LRRN3, SASH1, PALLD, RGL1, TNFRSF17, CDKN1C, IGJ, RRM2, ID3, SERPING1, FUCA1. Оказалось, что с помощью них можно с высокой точностью не только определить, курит ли человек, но и даже отличить никогда не курившего человека от бывшего курильщика.
До проведения исследований с участием добровольцев большая часть опытов осуществляется на лабораторных животных, так как испытания с участием людей связаны с более жестким регулированием этических и правовых аспектов исследования. Кроме того, лабораторные модельные организмы отличаются сравнительно быстрыми циклом жизни и развитием патологий, благодаря чему с ними удобнее работать.
Исследование проводили на лабораторных мышах, часть которых подвергалась воздействию сигаретного дыма в течение семи месяцев, часть имитировала отказ от курения (после двух месяцев воздействия сигаретным дымом мыши вновь дышали фильтрованным воздухом), а остальные мыши были ЗОЖниками – их оградили от табачного дыма. Оказалось, что шесть из 11 генов универсальны и для человека, и для мышей, и с их помощью можно было сформировать достаточно точный профиль экспрессии генов курильщика.
Определение профиля курильщика на основе экспрессии его генов пока что не является повсеместно распространенным анализом, однако исследования в этой области ведутся, и, возможно, в относительно скором времени подобный тест будет доступен для всех желающих. Но и оценкой уровня никотина и котинина исследования, связанные с изучением влияния курения на организм, не ограничиваются – измеряются и некоторые другие компоненты сигаретного дыма наряду с изучением ряда биохимических показателей организма.
В первую очередь, вместе с табачным дымом курильщик вдыхает угарный газ. Для человека угарный газ токсичен – из-за него же чаще всего люди получают серьезное отравление или даже погибают во время пожаров. В норме гемоглобин связывается с кислородом и углекислым газом и, перенося их в крови по всему организму, обеспечивает таким образом процесс дыхания. В присутствии высоких концентраций угарного газа комплекс между гемоглобином и кислородом (оксигемоглобин) не может образоваться, так как связь между угарным газом и гемоглобином необратима, а их комплекс, карбоксигемоглобин, значительно прочнее. В итоге нарушается транспортировка кислорода и клеточное дыхание. У курильщиков уровень карбоксигемоглобина повышен. Уже при десятипроцентном уровне содержания карбоксигемоглобина в крови человек может испытывать сильные головные боли и тошноту.
Никотин – основной алкалоид табака, однако помимо него в табаке присутствуют некоторые другие алкалоиды. Наиболее распространенные из них – норникотин, анатабин и анабазин. Считается, что большинство таких алкалоидов образуется либо в ходе деятельности бактерий, либо в процессе обработки табака. Эти соединения ответственны за образование специфичных для табака N-нитрозаминов – химически стабильных соединений, оказывающих канцерогенное и мутагенное действие. Наиболее распространенные в табаке N-нитрозамины – 4-(метилнитрозамино)-1-(3-пиридил)-1-бутанон (NNK), N'-нитрозонорникотин (NNN), N'-нитрозоанатабин (NAT), N'-нитрозоанабазин (NAB), 4-(метилнитрозамино)-1-(3-пиридил)-1-бутанол (NNAL) и некоторые другие. Нитрозамины могут встречаться в некоторых косметических средствах и даже продуктах питания, однако их содержание в сигаретах и табачном дыме значительно выше. Являясь канцерогенами, в организме человека нитрозамины могут способствовать развитию онкологических заболеваний.
Помимо N-нитрозаминов канцерогенным и мутагенным действием обладают также полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) – органические соединения, состоящие из двух и более ароматических колец из атомов углерода. ПАУ образуются в результате неполного сгорания многих природных органических веществ, таких как нефть, древесина или табак, и встречаются во всей окружающей среде. В табачном дыме обнаруживается несколько сотен различных ПАУ. Данные соединения в воздухе находятся, как правило, в составе сложных смесей. С учетом этого для оценки степени загрязнения воздуха или организма ПАУ чаще всего в качестве единичного индикатора используется бензо[a]пирен. Этот ПАУ наиболее хорошо изучен и является одним из самых сильных канцерогенов среди остальных соединений его ряда.
Негативные последствия курения часто рассматривают не только в контексте потенциальной угрозы развития онкологических заболеваний, но и в случае развития сердечно-сосудистых заболеваний. Часто это связано с нарушением липидного обмена в организме. Развитие атеросклероза может значительно усиливаться при аномальных профилях липидов и липопротеинов в плазме крови. Холестерин участвует в множестве процессов – это и предшественник для синтеза некоторых гормонов, и компонент клеточных мембран, и из него же образуются желчные кислоты, благодаря которым осуществляется расщепление и всасывание жиров в кишечнике. Однако при переизбытке холестерина в крови, он может откладываться в стенках артерий, что приводит к образованию бляшек, препятствующих нормальному кровотоку. В норме такого не происходит благодаря липопротеинам. Сам по себе холестерин нерастворим в воде, поэтому для транспорта по организму он связывается со специальными белками – аполипопротеинами.
Такой комплекс между холестерином и аполипопротеином и есть липопротеин. В зависимости от пропорций входящих в комплекс компонентов различают несколько видов липопротеинов – липопротеины высокой плотности (ЛПВП), низкой плотности (ЛПНП) и очень низкой плотности (ЛПОНП). Именно благодаря ЛПВП обеспечивается переработка и выведение лишних жиров из организма. При низких концентрациях ЛПВП переизбыток холестерина не успевает вовремя выводиться из организма и может накапливаться в виде бляшек, которые мы упоминали ранее. ЛПНП же, напротив, являются основными переносчиками холестерина в организме и их высокие концентрации могут способствовать развитию атеросклероза.
Исследования, направленные на изучение влияния курения на развитие сердечно-сосудистых заболеваний, часто проводятся на ApoE -/- линии мышей. Такие мыши не способны экспрессировать ген ApoE, продуктом которого является аполипопротеин E – гликопротеин, необходимый для транспорта и метаболизма липидов. ApoE -/- мыши имеют врожденную гиперхолестеринемию (повышенное содержание холестерина в крови) и, как следствие, особо склонны к развитию атеросклероза.
Продолжительное воздействие сигаретного дыма на ApoE -/- мышей привело к увеличению содержания большинства липидов в крови и развитию атеросклеротических бляшек. Также взаимодействие с сигаретным дымом вызвало воспалительный ответ в клетках легких мышей, характеризующийся более высокими уровнями экспрессии маркеров активации альвеолярных макрофагов – CD54 (ICAM1), CD86 и CD11b. При прекращении воздействия сигаретного дыма воспалительный ответ ослаблялся, а прогрессия атеросклероза снижалась.
Помимо широкого спектра различных органических соединений, в табачном дыме также присутствует множество тяжелых металлов. В сигаретах температура горения табака может достигать значений порядка 900 градусов Цельсия. При таких высоких температурах многие металлы и их соединения в виде аэрозоля вместе с табачным дымом способны попадать в организм. Катионы таких металлов, как ртуть, свинец и кадмий, способны ковалентно связываться с тиольной группой цистеина – аминокислоты, которая входит в состав активных центров многих ферментов. Такая связь с ферментом с большой вероятностью препятствует нормальному осуществлению его биологических функций, что, как правило, приводит к серьезным нарушениям обмена веществ.
Важно отметить, что содержание вышеописанных веществ сильно зависит от природы дыма. Например, в рамках подготовки к Олимпийским и Паралимпийским играм 2020 года в Токио (в итоге перенесенных из-за коронавируса) проводилось исследование различий между дымом обычных сигарет и аэрозолем электрической системы нагревания табака (ЭСНТ). Было проанализировано содержание основных характерных для табака N-нитрозаминов – NNN, NAT, NAB и NNK в аэрозоле ЭСНТ. Оказалось, что и в табачной секции стика, используемого в ЭСНТ, и в аэрозоле нитрозаминов значительно меньше, чем в обычных сигаретах. В аэрозоле ЭСНТ содержалась лишь одна пятая часть нитрозаминов по сравнению с дымом классических сигарет.
В предыдущем разделе мы упоминали, что температура горения табака в обычной сигарете может достигать 900 градусов Цельсия. В ЭСНТ механизм нагревания предусматривает температуры не выше 350 градусов Цельсия. Было показано, что благодаря этому содержание угарного газа в составе аэрозоля от ЭСНТ оказалось снижено в 100 раз по сравнению с дымом от обычной сигареты.
Многочисленные исследования, в том числе проведенные лабораториями Управления по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных препаратов США (FDA), подтверждают снижение концентраций в аэрозоле ЭСНТ многих вредных и потенциально вредных компонентов дыма помимо угарного газа, например, акролеина, формальдегида, бензопирена и еще несколько десятков веществ. Среднее снижение концентраций по этому перечню веществ составило более 90 процентов по сравнению с дымом от обычной сигареты.
Несмотря на то, что токсичных для человека соединений в аэрозоле ЭСНТ значительно меньше, системы нагревания табака не являются безвредными и не исключают риски.
Участники рандомизированных исследований по всему миру отмечают, что не чувствуют особой разницы между использованием ЭСНТ и обычных сигарет в плане получения удовольствия от процесса и его «ритуальности». Это объясняется тем, что в обоих случаях в организм человека, как правило, поступают сопоставимые количества никотина. И его фармакокинетический профиль (то есть, пиковая концентрация и скорость ее достижения) сопоставим с тем, который получается в результате курения традиционной сигареты.
Однако немаловажно и то, что помимо субъективных ощущений, ряд биохимических показателей у курильщиков значительно улучшались при переходе на использование системы нагревания табака. В ходе рандомизированных исследований оценивались такие показатели, как уровень лейкоцитов в крови (индикатор воспалительных процессов), объем форсированного выдоха за 1 секунду (ОФВ1), уровни карбоксигемоглобина, ЛПВП и канцерогенных N-нитрозаминов, степень окислительного стресса.
При переходе с сигарет на ЭСНТ наблюдались статистически значимые снижения уровней карбоксигемоглобина и лейкоцитов в крови, повышение уровня ЛПВП, снижение всех табачных N-нитрозаминов, снижение окислительного стресса, а также были получены более высокие значения ОФВ1 по сравнению с курящими обычные сигареты.
Сигаретный дым приводит к ускорению адгезии лейкоцитов к эндотелию – клеткам, выстилающим внутреннюю поверхность кровеносных сосудов. Адгезия и трансмиграция лейкоцитов через сосудистый эндотелий – важный этап в развитии некоторых сердечно-сосудистых заболеваний, в том числе атеросклероза, упомянутого ранее. Аэрозоль ЭСНТ не вызывает таких сильных изменений адгезивных свойств эндотелия по сравнению с сигаретным дымом. Таким образом, переход от обычных сигарет на ЭСНТ потенциально может снизить риск развития сердечно-сосудистых заболеваний.
По предварительным данным, исследования, которое проводилось с участием 18 совершеннолетних добровольцев, не имеющих ранее опыта использования электрических систем нагревания табака, их применение, вероятно, может даже помочь снизить абстинентный синдром у курильщиков («синдром отмены»). В некоторых странах регуляторы внимательно изучают возможности снижения вреда от табакокурения за счет использования альтернативных бездымных продуктов. Например, в начале июля Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных препаратов США (FDA) выдало разрешение на продажу электрической системы нагревания табака производства компании Philip Morris International как табачному продукту с модифицированным риском, при этом сообщалось, что выдача такого разрешения соответствует целям улучшения общественного здоровья.