СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАНЦЕРОГЕННОСТИ ВЕЩЕСТВА Российский патент 2015 года по МПК G01N23/00 

Изобретение относится к области безопасности жизни, в частности к области охраны человека и животных от канцерогенов.

Известен способ определения канцерогенной опасности веществ, основанный на свойстве канцерогенов быть сильными электрофилами (см. Bakale G.E., McCreary R.D., Gregg B.C. Cancer Biochem, Biophys. Vol.5, pp.103-109, 1981 или Bakale G.E. A Carcinogen-Screening Test Based on Electrons, in "Linking the Gaseous and Condensed Phases of Matter, the Behaviour of Slow Electrons," L.G. Christophorou, E. Illenberger and W. Schmidt, eds. Plenum Press, New York, 1994). Способ основан на их способности при проникновении в клетки отбирать электроны от биологически важных молекул (в частности, от управляющих наследственностью нуклеиновых кислот). В этом способе свободные электроны создаются кратковременным облучением среды пучком заряженных частиц высокой энергии, полученных на ускорителе, или с помощью лазерной подсветки в ионизационных камерах. Способ позволяет существенно упростить и удешевить процедуру определения канцерогенности веществ. Он позволяет сократить время тестирования одного вещества (с учетом приготовления образцов, проведения измерений и последующей обработки данных) до одного дня.

Однако непосредственное измерение концентрации квазисвободных электронов представляет собой весьма сложную задачу.

Известен также способ определения канцерогенности вещества, включающий оценку его электрофильных свойств, предусматривающий использование позитронной аннигиляционной спектроскопии (см. RU 2307342, МПК G01N 23/00, 2006). В соответствии со способом навеску исследуемого вещества растворяют в растворителе (например, циклогексане), при этом снимается кривая ингибирования вероятности образования ортопозитрония растворителем и снимается кривая ингибирования вероятности образования ортопозитрония испытуемым веществом, затем из сравнения кривых ингибирования делается вывод об отсутствии или наличии канцерогенных свойств у испытуемого вещества, при этом если исследуемое вещество более сильный или такой же ингибитор, как четыреххлористый углерод, то оно является канцерогеном.

Недостаток данного способа - его многооперационность, что усложняет процедуру исследования, кроме того, поскольку ингибирующее действие исследуемого вещества сравнивается с одним из сильных канцерогенов, может получиться так, что более слабые канцерогены будут проявлять меньшие ингибирующие свойства, а значит вещество будучи канцерогеном может быть отнесено в группу веществ не опасных для человека. Кроме того, заявленный способ не применим для изучения канцерогенности твердых веществ. Также сам метод сравнения ингибирующего действия не является точным.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение - повышение оперативности и точности заключения о наличии - отсутствии канцерогенности вещества, а также обеспечение универсальности способа (возможности исследования вещества как в жидком, так и твердом состоянии).

Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи - обеспечение высокой скорости процедуры получения заключения о наличии - отсутствии канцерогенности вещества. Способ является более легким в реализации - необходимые аннигиляционные характеристики находятся компьютером, тем самым надежность и точность результата лежит в пределах ошибки (2-3%). Кроме того, использование позитронов (Ps) из доступных радиоактивных источников (таких как ²²Na и др.) позволяет снизить издержки на реализацию способа, а также привлекательно тем, что оно позволяет изучать как кристаллические вещества, так и растворы, делает способ более универсальным в применении, что актуально, поскольку новые химические вещества бывают в разных состояниях.

Поставленная задача решается тем, что способ определения канцерогенности вещества, включающий оценку его электрофильных свойств, предусматривающий использование позитронной аннигиляционной спектроскопии, отличается тем, что исследуемое вещество в твердом или жидком состоянии помещают в позитронно аннигиляционный временной спектрометр быстро-быстрых задержанных совпадений, измеряют его аннигиляционный спектр, обрабатывая который с помощью компьютера, находят значение долгоживущей временной компоненты (τ3) Ps, и если оно менее 1,005±0,005 нс, то делают вывод о наличии канцерогенных свойств у вещества, а если оно более 1,005±0,005 нс, то делают вывод об отсутствии канцерогенных свойств у вещества. Кроме того, при сравнительной оценке канцерогенности исследуемого вещества по сравнению с другим веществом сравнивают их значения долгоживущей временной компоненты (τ3) Ps, при этом чем меньше их величина, тем сильнее канцерогенные свойства этого вещества. Кроме того, при сравнительной оценке нейтральности к воздействию на организм исследуемого вещества по сравнению с другим веществом сравнивают их значения долгоживущей временной компоненты (τ3) Ps, при этом чем больше их величина, тем исследуемое вещество более нейтрально к воздействию на организм. Кроме того, используют доступные радиоактивные источники, например ²²Na.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.

Признак, указывающий, что используют «исследуемое вещество в твердом или жидком состоянии», обеспечивает универсальность способа в отношении состояния исследуемого вещества.

Признаки, указывающие, что исследуемое вещество «помещают в позитронно аннигиляционный временной спектрометр быстро-быстрых задержанных совпадений», обеспечивают возможность снятия аннигиляционного спектра и последующего определения значения долгоживущей временной компоненты (τ3) Ps.

Признаки, указывающие, что обрабатывание снятого аннигиляционного спектра осуществляется «с помощью компьютера», позволяют автоматизировать процедуру обработки, минимизировать ее продолжительность и повысить точность результата.

Признаки, указывающие, что «находят значение долгоживущей временной компоненты (τ3) Ps», позволяют получить диагностические характеристики исследуемого вещества, сравнение которых с заявленным диагностическим критерием позволяет вынести заключение о канцерогенности или нейтральности исследуемого вещества.

Признаки, указывающие, что если диагностическая характеристика исследуемого вещества «менее 1,005±0,005 нс, то делают вывод о наличии канцерогенных свойств у вещества, а если оно более 1,005±0,005 нс, то делают вывод об отсутствии канцерогенных свойств у вещества», задают количественные параметры заявленного идентифицирующего критерия (маркер) и процедуру его использования.

Признаки второго-третьего пунктов формулы изобретения обеспечивают возможность сравнительной оценки исследуемых веществ по степени их «канцерогенности» или «нейтральности».

Признаки четвертого пункта формулы изобретения обеспечивают возможность расширения универсальности способа, его упрощение и удешевление.

В основе способа лежат следующие положения. Биохимические исследования (см. Е.С. Miller. Cancer Res., 38 (1978) 1479) показали, что канцерогенно-мутагенное действие проникших в организм разных химических соединений, в первую очередь, обусловлено их сильной электрофильностью, т.е. способностью эффективно акцептировать электроны биологически важных молекул - ДНК, ферментов.

Известно (cm. V.М. Byakov, S.V. Stepanov, О.P. Stepanova. Phys. Status Solidi (с), 6, N 11 (2009) 2503-2506), что позитронная аннигиляционная спектроскопия позволяет получать данные о степени электрофильности химического соединения, если за ее меру принять константу скорости реакции этого соединения с "избыточными" электронами. Нами установлено, что существует корреляционная связь между временем жизни Ps (позитрония) и канцерогенными свойствами вещества. Изучая свойства аннигиляционного излучения (энергетический спектр, интенсивность 2γ- и 3γ-распадов, неколлинеарность вылета квантов двухфотонной аннигиляции) или регистрируя распределение во времени актов аннигиляции начиная с момента возникновения свободного позитрона, можно достаточно подробно проследить "судьбу" позитрона в веществе, восстановить картину столкновений, элементарных процессов и процессов переноса, в которых участвует позитрон (или Ps) до аннигиляции в среде. Это, в свою очередь, позволяет изучать свойства среды, в которой движется, замедляется и аннигилирует позитрон (I. Iakubov, A. Khrapak. Report. Progr. Phys., 45 (1982) 697-751). Позитроны широко применяются для изучения свойств вещества и процессов, протекающих в газовых, жидких, плазменных средах и твердых телах (см. V.М. Byakov, S.V. Stepanov, О.P. Stepanova. Phys. Status Solidi (с), 6, N 11 (2009) 2503-2506) и В.И. Гольданский. Физическая химия позитрона и позитрония, Москва, Наука, 1968).

Метод позитронной аннигиляционной спектроскопии с временным разрешением (ПАВС) позволяет отслеживать именно время жизни Ps, образовавшегося в веществе после попадания позитрона. Получаемые данным методом временные характеристики укажут на степень электрофильности вещества.

Для реализации заявленного способа был использован спектрометр быстро-быстрых задержанных совпадений PAL «ORTEC», использовался радиоактивный источник ²²Na с активностью ~300 кБк (аппаратное разрешение, рассчитанное по временной линии ²²Na составило (229,7±1,1) пс).

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Исследуемое вещество в твердом или жидком состоянии помещают в позитронно аннигиляционный временной спектрометр быстро-быстрых задержанных совпадений, посредством которого известным образом измеряют его аннигиляционный спектр.

Полученный спектр обрабатывают с помощью компьютера с использованием известных программных продуктов: Taufit (см. Д.Е. Орел, В.И. Разов. Сообщение ДВГУ, №32 (1992) 27-29 с.) и PALSfit v2.23 (см. http://www.palsfit.dk). Расчет физико-химических параметров проводился по модели «свободного объема» программой «TRAPPED» (см. Д.Е. Орел, В.И. Разов. Сообщение ДВГУ, №32 (1992) 27-29 с.). Найденное значение долгоживущей временной компоненты (τ3) Ps сравнивают с его граничным значением - (1,005±0,005) нс.

Если найденное значение долгоживущей временной компоненты (τ3) Ps оказывается меньше 1,005±0,005 нс, то делают вывод о наличии канцерогенных свойств у вещества, а если оно более 1,005±0,005 нс, то делают вывод об отсутствии канцерогенных свойств у вещества. При необходимости сравнительной оценки канцерогенности (или нейтральности к воздействию на организм) исследуемого вещества по сравнению с другим веществом сравнивают их значения долгоживущей временной компоненты (τ3) Ps, при этом чем меньше найденные значения долгоживущей временной компоненты (τ3) Ps, тем сильнее канцерогенные свойства этого вещества, а чем больше найденные значения долгоживущей временной компоненты (τ3) Ps, тем вещество более нейтрально к воздействию на организм.

Для подтверждения достоверности заявленного способа были выполнены исследования оценки канцерогенности (или нейтральности к воздействию на организм) ряда веществ, в отношении которых ранее выполнены биохимические исследования, позволившие установить их канцерогенность или нейтральность (см. http://www.krackeler.com/products/2696-Amresco/26643-Ethidium-Bromide.htm или U.S. Department of Health and Human Services National Toxicology Program, Report on Carcinogens, Twelfth Edition (2011)): канцерогены - C₂₁H₂₀BrN₃, C₄H₇Cl₂O₄P, CCl₄, CHCl₃, AlF₃, C₈H₁₂N₄O, C₆H₄Cl₂ и вещества, которые не являются канцерогенами - H₂O, AlCl₃, CH₂Cl₂, C₂H₆OS.

Таблица Аннигиляционные характеристики полученных спектров Вещество τ3, нс I, % K, 1/нс R, $$\dot{A}$$ H₂O 1,230 8,82 61,20 6,30 C₂₁H₂₀BrN₃ 0,591 2,51 14,24 4,67 C₄H₇Cl₂O₄P 0,745 2,51 13,59 4,95 CHCl₃ 0,814 3,98 21,82 5,11 CCl₄ 0,909 3,12 16,06 5,19 CH₂Cl₂ 1,475 1,67 10,42 6,45 AlF₃ 0,9900 3,82 25,76 5,82 AlCl₃ 1,296 5,01 30,70 6,15 C₈H₁₂N₄O 0,74 2,51 13,28 4,90 C₆H₄Cl₂ 0,81 3,42 21,99 5,37 C₂H₆OS 1,115 4,83 26,38 5,65

Из таблицы следует, что заявленный способ позволяет уверенно разделить тестируемые химические вещества на две группы: канцерогены и неканцерогены и при необходимости выполнить сравнительную оценку по эти факторам.

Полученные результаты позволяют предложить данный метод для изучения и последующего применения корреляции электрофильных и канцерогенных свойств веществ. В дальнейшем необходимо рассмотреть более обширную группу веществ, обладающих электрофильностью, и проверить их на наличие канцерогенных свойств с целью установления корреляции время жизни позитрония-канцерогенность вещества.

Заявленный способ является универсальным (обеспечивает возможность исследования вещества как в жидком, так и твердом состоянии), более легок в реализации и высокоточен (необходимые аннигиляционные характеристики находятся компьютером, надежность и точность результата лежит в пределах ошибки (2-3%)).

Использование: для определения канцерогенности вещества. Сущность изобретения заключается в том, что исследуемое вещество в твердом или жидком состоянии помещают в позитронно аннигиляционный временной спектрометр быстро-быстрых задержанных совпадений, измеряют его аннигиляционный спектр, обрабатывая который с помощью компьютера, находят значение долгоживущей временной компоненты (τ3) Ps, и если оно менее 1,005±0,005 нс, то делают вывод о наличии канцерогенных свойств у вещества, а если оно более 1,005±0,005 нс, то делают вывод об отсутствии канцерогенных свойств у вещества. Технический результат: обеспечение высокой скорости процедуры получения заключения о наличии или отсутствии канцерогенности вещества. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ определения канцерогенности вещества, включающий оценку его электрофильных свойств, предусматривающий использование позитронной аннигиляционной спектроскопии, отличающийся тем, что исследуемое вещество в твердом или жидком состоянии помещают в позитронно аннигиляционный временной спектрометр быстро-быстрых задержанных совпадений, измеряют его аннигиляционный спектр, обрабатывая который с помощью компьютера, находят значение долгоживущей временной компоненты (τ3) Ps, и если оно менее 1,005±0,005 нс, то делают вывод о наличии канцерогенных свойств у вещества, а если оно более 1,005±0,005 нс, то делают вывод об отсутствии канцерогенных свойств у вещества.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при сравнительной оценке канцерогенности исследуемого вещества по сравнению с другим веществом сравнивают их значения долгоживущей временной компоненты (τ3) Ps, при этом чем меньше их величина, тем сильнее канцерогенные свойства этого вещества.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при сравнительной оценке нейтральности к воздействию на организм исследуемого вещества по сравнению с другим веществом сравнивают их значения долгоживущей временной компоненты (τ3) Ps, при этом чем больше их величина, тем исследуемое вещество более нейтрально к воздействию на организм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют доступные радиоактивные источники, например ²²Na.