עקה גנטוקסית

עקה גנטוקסית (genotoxicity) היא מושג המשמש לתיאור חומרים כימיים המשבשים את המידע הגנטי אשר בגרעין התא ומביאים לכדי יצירת מוטציות גנטיות אשר עלולות להתבטא כסרטן. המושג קרוב במשמעותו למוטגניות, במובן ששני המושגים מתייחסים לחומרים שמביאים לכדי מוטציות גנטיות. אך בעוד שהמוטגן יוצר שינוי במידע הגנטי שעל סליל הדנ"א על ידי השפעה ישירה בלבד, רעלגן משפיע על המידע הגנטי גם דרך השפעה עקיפה, אם על ידי זירוז הופעתן של מוטציות או שיבוש מנגנוני שליטה ובקרה שונים. כך שלמעשה, בעוד כל גורמי המוטציות הם גנוטוקסים, לא כל הגנוטוקסים הם מוטגנים. לתאים יכולת למנוע ביטוי של מוטציה גנוטוקסית על ידי מנגנון תיקון דנ"א או על ידי אפופטוזיס, הרס עצמי של התא. אך לעיתים הנזק אינו ניתן לתיקון, מה שיוביל להופעת מוטגנזה. שינויים אלו מתקבעים וימשיכו להתקיים בתאי הבנות של תא המקור. במידה והשינויים מתרחשים בתא זוויג (גמטה), הם יכולים אף להמשיך בתורשה אל דורות הצאצאים הבאים.
כדי לכמת את השפעתן של מולקולות גנוטוקסיות, מעריכים חוקרים את הנזק שנגרם לדנ"א בתאים שנחשפו לחומרים הרעילים. הנזק יכול להתבטא בצורת קטיעה יחידה של גדיל או זוג גדילים, אובדן יכולת תיקון-חיתוך (הסרת נוקלואיטידים פגומים), קשר צולב (cross linking), אתרים אלקיליים לא יציבים, מוטציות נקודתיות, וסטיות מבניות או מספריות של כרומוזומים.
שינויים בשלמות רצף הדנ"א ידועים כגורמי לסרטן.
לשם הערכת פוטנציאל הנזק שבכימיקלים שונים כגורמים לסרטן, פותחו שיטות מתוחכמות כגון "מבחן איימס", בדיקות טוקסולוגיה במבחנה או מן החי או "בדיקת שביט" (comet assay).

מנגנונים

חומרים גנוטוקסים גורמים נזק לחומר הגנטי שבתא דרך אינטראקציות עם רצף ומבנה ה-DNA . למשל, מתכת המעבר כרום, במצבה המחומצן, מגיבה עם ה-DNA, ויוצרת אתרים פגומים על הסליל שמובילים להיתפתחות הסרטן. מצב חמצון מטאסטבילי זה, Cr(V), מושג באמצעות אקטיבציית חיזור. חוקרים ביצעו ניסוי כדי לחקור את האינטראקציה בין ה-DNA למתכת הכרום המסרטנת באמצעות קומפלקס - (Cr(V – Salen, במצב החמצון המטאסטבילי ונמצא כי האינטראקציה הייתה ספציפית לנוקלאוטיד גואנין. על מנת לצמצם את האינטראקציה לקומפלקס Cr ( V ) - Salen עם הבסיס גואנין, החוקרים שינו את בסיסי הגואנין ל8-אוקסוגואנין, כדי ליצור חמצון ספציפי לאתר. התגובה בין שתי המולקולות גרמה לשינויים בדנ"א. שני השינויים שנצפו באתר הבסיס ששונה היו guanidinohydantoin ו- spiroiminodihydation. לשם ניתוח נוסף של אתר השינוי נצפה כי פולימראז שעצר באתר אדנין זיווג בגדיל הנגדי בסיס של 8-אוקסוגואנין במקום בסיס טימין. ניתן לראות אם כן, כי פגעים אלו מכילים שחלוף רוחבי - גואנין -> טימין . נראה כי כרום במצב חימצון גבוהה יפעל כמסרטן  "מנגנון הנזק של תוצרי בסיסים מחומצנים בין מתכת הכרום לסליל הדנ"א... רלוונטיים בהיווצרות נזק לדנ"א שבתוך אורגניזם, המוביל לסרטן באוכלוסיות שנחשפו לכרום". 
דוגמה נוספת לנזק של הדנ"א על ידי סוכן גנוטוקסי, הן אלקלואידים פירולוזידינים. חומרים אלה נמצאים בעיקר במיני צמחים והם רעילים לבעלי חיים, לרבות לבני אדם. כמחצית מהם זוהו כגנוטוקסים ורבים מהם זוהו כמעודדי סרטן . על פי הניסוי הגיעו החוקרים למסקנה כי כאשר חומרים אלו מופעלים מטבולית: "הם מעודדים יצירת אדקציית דנ"א (קומפלקס מסרטן של דנ"א-כימיקל), קטיעת והצלבת גדילים, חילופי כרומטידות אחיות, מיקרו-גרעינים, סטיות כרומוזומליות, מוטציות גנטיות ,ומוטציות כרומוזום בתוך אורגניזם או במבחנה ".
המוטציה הנפוצה ביותר בגנים הם שחלוף רחבי גואנין:ציטוזין - > טימין:אדנין, ושיחלוף בסיס טנדם. האלקלואידים הפירוליזידינים הם מוטגנים הן בתוך גוף אורגניזם והן במבחנה, ולכן, מביאים לכדי לתהליך קרציוגנסיס חמור בכבד. צמח ממין ה-קומפריי (Comfrey) הוא דוגמה לצמח המכיל ארבעה עשר אלקלואידים פירוליזידינים שונים. המטבוליטים הפעילים מגיבים עם ה-DNA ויוצרים אתרים פגועים, מעודדים הופעת מוטציות, והתפתחות סרטן בתאי ההפטוציטל והאנדותל שבכבד.

טכניקות בדיקה

מטרת הבדיקות לגנוטוקסיות היא לקבוע האם לחומר כלשהו פוטנציאל להשפיע על המידע הגנטי או לגרום לסרטן. מבחנים אלו יכולים להתבצע על חיידקים, שמרים, או תאי יונקים. בעזרת המידע שמבחנים אלו מספקים, ניתן לצפות לשלוט בהתפתחויות מוקדמות בעת חשיפת אורגניזם רגיש לחומר גנוטוקסי.

מבחן איימס

משמש ביולוגים לבדיקת מוטציות בגנים. הטכניקה משתמשת בזני חיידקים כדי להשוות בין הוואריאציות השונות שבחומר הגנטי. תוצאות הבדיקה מזהות את רוב הרעלגננים המסרטנים והשינויים הגנטיים. סוגי המוטציות המזוהות במבחן איימס הן הזזת מסגרת הקריאה והחלפות בסיסים.

בדיקת טוקסיקולוגיה במבחנה

מטרת הבדיקה במבחנה היא לקבוע אם לחומר, מוצר, או גורם סביבתי יש פטנציאל לגרימת נזק גנטי. טכניקה אחת היא בדיקת ציטוגניות באמצעות תאי יונקים שונים. סוגי הסטיות הכרומוזומליות שזוהו בתאים המושפעים מגנוטוקסים הם: פערים-חסרים בכרומטידות ובכרומוזומים, קטיעות כרומוזומים, שבירת כרומטידה, פרגמנטציה, טרנסלוקציה, שחלופים מורכבים ורבים נוספים. השפעות קלסטוגניות (מוטציות המתבטאות במחיקת מידע גנטי) ואניוגניות (מוטציות המתבטאות בהופעת מספר א-נורמלי של כורמוזומים בתאי הבת)  יגרמו לעלייה בשכיחות של סטיות מבניות או מספריות של החומר הגנטי. מבחן זה דומה למבחן המיקרו-גרעין ובדיקת סטיית כרומוזום, אשר מזהים סטיות כרומוזומליות מבניות ומספריות בתאי יונקים. 
ברקמות ספציפיות של יונקים, ניתן לבצע בדיקת לימפומה TK +\- לבדיקת סטיות בחומר הגנטי. מוטציות גנטיות מתבטאות בדרך כלל דרך מוטציות נקודתיות - שינוי של נוקלאוטיד יחיד המשנה את סדר התעתוק ובעקבות כך גם משנה את ייצור חומצת האמינו המיועדת. מוטציות נקודתיות אלו כוללות החלפות בסיס, מחיקות, הזזת מסגרת קריאה, ושחלופים. כמו כן, ניתן לפגום בשלמות הכרומוזומים באמצעות ופגמים קלסטוגנים הגורמים להופעת יתר של כרומוזומים או מחיקות של גנים. סוג הנזק נקבע על פי גודל מושבות של התאים, והבחנה בין מוטציות גנטיות (מוטגנים) וסטיות כרומוזומליות (קלסטוגנים).

מבחן בדיקת SOS / umu

מעריך את פוטנציאל הנזק של חומר מסוים לדנ"א . המבחן מבוסס על השינויים באינדוקציה לתגובת דחק של התא עקב נזק לדנ"א. יתרונות השיטה בכך שהיא מהירה, פשוטה ונוחה לשימוש. המבחן משמש לשם בדיקת איכות מים ומי שפכים.

בדיקה טוקסולוגית באורגניזם

המטרה בבדיקה היא לקבוע את הפוטנציאל הנזק על דנ"א שיכול להשפיע על המבנה הכרומוזום או להפריע למנגנון המיטוטי. הגורמים שיכולים להשפיע על גנוטוקסית הם הם ADME (התהליך המטבוליטי של תרופה בגוף האדם) ותיקון דנ"א. המבחן כמו כן, מסוגל לזהות סוכנים רעלגנים שהוחמצו בבדיקות מבחנה. התוצאה של נזק כרומוזומלי מושרה היא עלייה בתדירות של כדוריות דם אדומות בעלות מיקרו-גרעינים. המיקרו-גרעין הוא מבנה קטן ונפרד מן הדנ"א הגרעיני. הוא מורכב משברי דנ"א או מכרומוזומים שלא שולבו כראוי בתא בתהליך המיטוזה. מבחן מיקרו-גרעין באורגניזם דומה למבחן טוקסיקולוגי במבחנה בכך שהוא מזהה  סטיות כרומוזומליות, מבניות ומספריות בתאי יונקים, ובמיוחד בתאי הדם של חולדות.

בדיקת שביט

בדיקות שביט הם מהמבחנים הנפוצים ביותר לבדיקת גנוטוקסית. הטכניקה כוללת פירוק התא בעזרת אבקת כביסה ומלחים. הדנ"א המשתחרר מהתא המפורק עובר אלקטרופורזה בג'ל בתנאי ה-pH ניטראליים . תאים המכילים DNA עם ריבוי במספר הפסקות גדילים כפולים יעברו מהר יותר לכיוון האנודה. לטכניקה זו יש יתרון בכך שהיא זולה, מהירה וקלה לביצוע, מזהה גם רמות נמוכות של נזק לדנ"א, דורשת מספר קטן מאוד של תאים, ומספקת תוצאות במהירות. עם זאת, לא ניתן לזהות את המנגנון שבבסיס ההשפעה הגנוטוקסית ולא את המרכיב הכימי שגרם להפסקות הגדילים.

סרטן

השפעות גנוטוקסיות כמו מחיקות, קטיעות או שחלופים יכולות להוביל לסרטן במידה והנזק אינו מוביל לאופוזיס, מוות התא באופן מיידי. סוכנים גנוטוקסים יכולים להביא לכדי יצירת אזורים רגישים לשבירה, הנקראים אתרים שבירים. ישנם כימיקלים מסוימים היכולים לגרום לאתרים שבירים באזורים אונקוגניים של הכרומוזום ה שעלול להוביל להשפעות מסרטנות. חשיפה תעסוקתית  לתערובות מסוימות של חומרי הדברה מראה קורלציה חיובית לנזק גנוטוקסי. הנזק לדנ"א אינו אחיד בחומרתו, ואנשים שונים מראים יכולות שונות ביכולת התמודדות וטיהור חומרים גנוטוקסים, מה שמוביל לשונות בשכיחות סרטן בקרב האוכלוסייה. השונות ביכולת זו היא תוצאה של תורשה פולימורפית.
חילוף החומרים של מספר כימיקלים מביאים לכדי ייצור של תרכובות חמצן. מדובר במנגנון גנוטוקסי פוטנציאלי . הדבר באו לידי ביטוי בחילוף החומרים של ארסן אשר מייצר רדיקלים הידרוקסילים אשר ידועות כגורמות לתופעות גנוטוקסיות.

כימותרפיה גנוטוקסית

כימטורפיה היא טיפול לסרטן בה משתמשים ברעלגן אחד או יותר. הטיפול הוא באופן מסורתי חלק ממשטר טיפול סטנדרטי. על ידי ניצול התכונות ההרסניות של גנוטוקסים, מטרת הטיפול לגרום לנזק בדנ"א של תאים סרטניים. כל נזק שנעשה לתא סרטני מועבר הלאה אל תאי הבת שלו בתהליך המיטוזה. היה ונזק זה חמור במידה מספקת, הוא יגרום לתא לעבור תהליך אפופטוזה, הרס עצמי מכוון.

סיכונים

החסרון העיקרי של טיפול זה הוא בכך שתרופות גנוטוקסיות יעילות בהשמדת תאים סרטניים וכמו גם  תאים נורמלים כאחד. הסלקטיביות של פעולת תרופה מסוימת מבוססת על רגישות התאים עצמם. בזמן שתאים סרטניים, המתאפיינים בחלוקה מהירה במיוחד, רגישים ביותר לטיפולים תרופתיים רבים, תאים נורמלים לעיתים קרובות מושפעים גם הם. דוגמה טובה לכך היא תאי האפיתל של הקיבה המתחלקים גם הם במהירות ולכן מושפעים במידה רבה מתרופות אלו.
בנוסף, מלבד היותן גנוטוקסיות, תרופות רבות יהיו גם ציטוטוקסיות ומוטגניות . הנזק המיוחס לתרופות אלו לא יוגבל  לדנ"א הספיציפי המבוקש. משמע, למרות שתרופות אלו נועדו לטפל כנגד סרטן, יש להן אפקט מסרטן משני, והן מעלות את הסיכון לסרטן משני, כמו לוקמיה.