Наступний матеріал був підготовлений для CEM 181H в Університеті штату Мічиган восени 1998 р .; доповідачі: доктор Маркос Дантус та Елізабет Кроал, Кірк Даун, Майкл Мейл, Ян Мінкареллі, Ненсі Кім.
Хоча дейтерій, також відомий як важка вода, присутній у відносно великих кількостях, мало відомо про його вплив на організм людини після споживання. Експерименти на щурах показали, що дієта, що містить збагачену дейтерієм воду, серед інших ефектів, зменшує швидкість мітозу клітин. Хоча загальна анатомія щурів принципово відрізняється від анатомії людини, поділ клітин фізіологічно подібний. Ця подібність підвищує ймовірність досягнення подібного ефекту у людини. Якщо це справді так, збагачена дейтерієм дієта може бути надзвичайно корисною для лікування захворювань людей, таких як рак, для яких ділення клітин є центральним фактором захворювання. Раніше було встановлено, що важка вода добре впливає на певні типи раку. Однак, наскільки це може бути застосовано в клінічній практиці, та його потенційний несприятливий вплив на організм людини ще слід вивчити.
Фізичні властивості дейтерію
Дейтерій - стабільний ізотоп водню, а це означає, що він не радіоактивний і має дуже тривалий термін життя. Дейтерій - це той самий елемент, що і водень, але має нейтрон, тому він важить удвічі більше процию. Дейтерій був відкритий Гарольдом Урі в 1932 році. Дейтерій був першим ізотопом, який був виділений в чистому вигляді. Вважається, що дейтерій виник у початковій фазі Великого вибуху. Вільний нейтрон розпадається за десять хвилин, якщо він не взаємодіє з протоном, з яким він утворює ядро атома дейтерію. Більшість атомів дейтерію утворювали гелій, але частина залишалася у формі дейтерію.
Коли два іони дейтерію утворюють іон кисню, утворюється оксид дейтерію, тобто важка вода. На вигляд і смак він схожий на звичайну воду, але деякі його властивості різні. Фізичні властивості важкої води відрізняються від властивостей звичайної води. Сильна вода кипить при 101,41 градусі Цельсія і замерзає при 3,79 градусах Цельсія. Оксид дейтерію також має вищу теплоємність, теплоту плавлення, теплоту випаровування та ентропію, ніж вода. В'язкість важкої води також вища, ніж в'язкість води. Крім того, дейтерій не такий хороший розчинник, як вода. Дейтерій утворює міцніші зв’язки, ніж водень.
На кожні шість тисяч крапель води - одна крапля оксиду дейтерію. Співвідношення дейтерій-водень на землі становить 1: 6600.
Біологічні ефекти дейтерію
Для перевірки впливу дейтерію на різних гризунів було проведено багато різних експериментів, і результати були зведені в J.F. Томсон в біологічних ефектах дейтерію. Коли чистий оксид дейтерію, тобто важку воду, дають гризунам, це, здається, для них неможливо. На смак він схожий на дистильовану або безкисневу воду для людей. Гризунам приємніше провітрювати або додавати сліди солей.
Коли цим тваринам дають важку воду, вона легко всмоктується і, здається, не фільтрується і не виводиться нирками. Оксид дейтерію вбудовується в організм до досягнення рівноваги, яка зазвичай становить вісімдесят відсотків концентрації, яку споживають гризуни.
Результати експериментів на щурах та мишах видаються незмінними. Коли важка вода замінює від нуля до п’ятнадцяти відсотків вмісту води в організмі, це не спричиняє суттєвих змін, за винятком того, що збільшення ваги тварин відбувається не так швидко, як у контрольної групи. У п’ятнадцять-двадцять відсотків тварини стають дуже дратівливими. Двадцять-двадцять п’ять відсотків тварин вже настільки дратівливі, що при стимуляції часто виникають судоми. До цього часу з’являються ураження шкіри, виразки на ногах і роті, некрози (хвости-некрози).
У той же час тварини стають дуже агресивними, самці майже некеровані. Коли рівень заміщення досягає тридцяти відсотків, тварини відмовляються їсти і впадають у кому. Вага їх тіла різко падає, а метаболізм мишей падає нижче норми. Коли заміна досягає тридцяти-тридцяти п’яти відсотків, гризуни гинуть. Здається, толерантність до оксиду дейтерію з часом не розвивається, але наслідки є оборотними, якщо тварина не втрачає більше тридцяти відсотків своєї попередньої маси тіла через важку воду.
Функцію нирок вивчали у живих щурів після введення оксиду дейтерію: було встановлено, що збільшення концентрації дейтерію в організмі знижує швидкість клубочкової фільтрації та нирковий потік плазми (кількість плазми, що протікає через нирки). Як результат, загальна функція нирок також знизилася. Цей процес також повністю оборотний: якщо щурам знову давали воду, функція нирок нормалізувалася протягом короткого часу.
Було встановлено, що коли концентрація оксиду дейтерію в організмі перевищувала двадцять-двадцять п’ять відсотків, утворення зрілих еритроцитів, тобто еритроцитів, було повністю зупинено. Якщо повернути щурів до нормальної води, кількість червоних кров’яних тілець могла б відновитись до нормальних значень із цілих двадцяти п’яти відсотків норми. Проблема полягає в тому, що коли зниження рівня еритроцитів досягає двадцяти п’яти відсотків, багато гризуни гинуть під час анемії. У збагачених дейтерієм щурів також були проблеми з підтриманням нормального рівня глюкози в крові. Навіть якщо вони отримували ін’єкцію глюкози, рівень глюкози протягом декількох годин опускався нижче норми. Крім того, щури не могли зберігати глюкозу як глікоген печінки.
Метаболізм мишей і температура тіла залежали від концентрації оксиду дейтерію в їх тілах.
Джерело інформації: J.F. Томсон: Біологічні ефекти дейтерію
Оксид дейтерію та мітоз
Мітоз - це нестатеве розмноження клітин і поділ ядра. Клітина подвоює свою ДНК, а потім ділиться на дві клітини потомства за чотири етапи. Організми використовують мітоз для диференціації, росту та заміщення відмерлих клітин. Він відіграє фундаментальну роль у зростанні та здоров’ї організму, і взагалі слід уникати будь-якої речовини, яка інгібує або руйнує цей процес (наприклад, оксид дейтерію). Тим не менше, при раку мітоз відбувається настільки швидко і безперервно, що спричиняє пухлини і негативно впливає на багато загальних функцій організму. Отже, інгібітор мітозу може бути корисним для запобігання росту раку. Властивості оксиду дейтерію надають перспективні можливості при лікуванні раку.
Спочатку потрібно вивчити складний процес мітозу. Він проводить більшу частину свого життя у фазі, яка називається інтерфазою. У цій фазі клітина виконує нормальну метаболічну активність, перетворює білки і копіює ДНК.
Інтерфаза не є стадією мітозу, хоча ДНК потім копіюється. Перша стадія мітозу - це профілактика. Під час профілактики клітинна мембрана зникає, ДНК подвоюється, і у вигляді волокон веретена вона згортається в хромосоми (сестринські хроматиди), що з’єднуються посередині (кінетохори). Другий етап - метафаза, при якій хроматиди братів або сестер вирівнюються в екваторіальній площині клітини (так звана метафазна пластинка). Третя стадія - це анафаза, коли хроматиди братів або сестер відокремлюються внаслідок скорочення волокон веретена і рухаються до двох полюсів клітини. У телофазі, останній стадії мітозу, насправді відбувається реверс профази; хромосоми розгортаються, клітинна мембрана формується, а волокна веретена зникають. У телофазі відбувається цитокінез, який є відділенням цитоплазми. Мітоз (відокремлення ядра) та цитокінез (відділення цитоплазми) разом призводять до поділу клітин.
Переходячи від біології до хімії, мітоз можна вивчати за допомогою клітинних макромолекул. ДНК містить водень в азотистих підставах та дезоксирибозні цукри. Насправді форма подвійної спіралі макромолекул ДНК утворена зв’язками між протилежними азотистими основами.
Коли оксид дейтерію потрапляє в клітину, атоми дейтерію поступово замінюють атоми водню в молекулі ДНК. Зв'язки між атомами дейтерію міцніші за вихідні водневі, і тому молекула ДНК стає жорсткішою. Процес мітозу сильно залежить від водневих зв’язків ДНК, тому будь-яка його зміна негативно вплине на мітоз. Наприклад, для подвоєння ДНК подвійна спіраль повинна розмотатися, і коли дейтерій входить в ДНК, стає жорсткішим і важче перемотувати. Або навіть якщо ДНК подвоїться, оксид дейтерію все одно може впливати на мітоз. Коли ДНК починає розкриватися в хромосоми, оксид дейтерію призводить до того, що хромосоми вкорочуються або потовщуються. Ефект може відчуватися і в цитоплазмі, яка стає жорсткішою через вищу в'язкість важкої води і, отже, ускладнює ділення клітин. Дуже важливо знати, що оксид дейтерію є особливим серед антимітотичних агентів, оскільки він діє в багатьох фазах мітотичного процесу, на відміну від більшості інших таких речовин, які специфічно впливають на одну з фаз мітозу.
Вплив дейтерію на мітоз
Не було проведено багато досліджень щодо впливу дейтерію на мітоз, що дивує, оскільки досі невідомо, чому дейтерій насправді уповільнює мітоз. Ян Лампрехт, Дітер Шретер та Нідхард Павелец проводили дослідження в 1989 році в Інституті біології клітин і пухлин та Німецькому дослідницькому центрі раку в Гейдельберзі. Досліджено механізми, що лежать в основі антимітотичної активності оксиду дейтерію та як він впливає на соматичні клітини ссавців на різних стадіях мітозу. Вплив дейтерію раніше вивчався в яйцях морських свинок, але клітини вищих тварин не вивчалися.
У дослідженні в одному тесті клітини витримувались у 25%, 50% та 75% оксиду дейтерію протягом двох годин, а в іншому - у 75% важкій воді протягом двох, шести, дванадцяти та двадцяти годин ... Потім визначали відсоток клітин у профазних, метафазних, анафазних, телофазних і цитокінетичних парах (інтерфазі) та відновлювали ядра (клітини, в яких мембрана ядра з’явилася знову, але клітина не перестала ділитися).
Дані показали, що в профазі та метафазі було аномально багато клітин, особливо метафази. Зі збільшенням відсотка оксиду дейтерію кількість випадків клітин у метафазі зростала. Це свідчить про те, що антимітотичний ефект оксиду дейтерію оптимізований між метафазою та анафазою. У клітинах оксиду дейтерію розташування на метафазній пластині було проблемою. Хромосоми часто розташовувались радіально, а не прямолінійно, і це заважало виникненню анафази. Хоча оксид дейтерію впливав на волокна веретена, це припущення було скасовано, оскільки волокна мали змогу стискатися або розширюватися у збагаченій дейтерієм воді.
Дослідники вважали, що важка вода впливає на центросоми хромосом (кінетохори); вони якимось чином втрачають здатність осідати, і, отже, волокна веретена не можуть точно з'єднатися, або їх рух уповільнюється підвищеною в'язкістю оксиду дейтерію. Дослідники запропонували подальші дослідження, оскільки вони не могли точно визначити, що спричинило антимітотичний ефект, хоча їх теорія була логічною. На жаль, подальших досліджень з цієї теми не було.
Вплив дейтерію на рак
Дослідження впливу важкої води на ріст раку зосереджувались насамперед на тому, як помірно дейтерована вода може зменшити швидкість росту пухлини у мишей з дефіцитом тимусу. Відсутність тимусу (тимусу) означає, що миші не мають імунної системи і тому можуть заразитися раком, вводячи ракові клітини в мишу. Швейцарські дослідники з Бернського університету Ганс Альтерматт, Ян-Олаф Гебберс та Жан Альберт Лайссу показали, що коли цим мишам дають важку воду, його ефекти схожі та синергічні з іншими цитостатичними агентами.
Пухлинні миші були розділені на три групи: миші, які отримували лише важку воду, миші, які отримували лише цитостатичні агенти (залежно від походження клітин, з яких були інокульовані пухлини), і миші, які отримували як важку воду, так і цитостатичні агенти. також контрольна група. Також вимірювали розмір і вагу пухлин, індукованих у мишей, і результати порівнювали для порівняння кожного лікування. Результати експерименту були чіткими для пухлин мишей, отриманих з менш диференційованих пухлинних клітин; контрольні миші завжди мали найвищий ріст пухлини. У щурів, яким давали або цитостатичні агенти, або дейтерій, ріст пухлини був значно зменшений, але ефект був трохи більшим, ніж дейтерій. Нарешті, коли цитостатичні агенти та дейтерій поєднувались, ріст пухлини у мишей був ще повільнішим. Для пухлин з більш диференційованих ракових клітин дейтерована вода була менш ефективною. Дослідження показало, що важка вода настільки ж ефективна, як альтернатива іншим препаратам, затримуючи ріст раку, але не вивчала побічних ефектів дейтерованої води на мишей.
Перш ніж дейтерій можна використовувати в клінічних умовах, необхідно провести великі дослідження, щоб визначити його вплив на організм людини. Звичайно, попередні дослідження слід проводити на більш простих організаціях. Дослідження проводяться поступово, спочатку в чашках Петрі, потім у щурів, мавп і, нарешті, у людей.
Спочатку потрібно провести експерименти, щоб з’ясувати, яка концентрація дейтерію в організмі та скільки часу може тривати, щоб забезпечити безпеку лікування.
Природно, очікуються негативні наслідки, такі як на травну систему, зниження рівня еритроцитів і зниження здатності загоювати рани. Суть полягає в тому, щоб знайти той момент, коли переваги обробки дейтерієм максимально переважають недоліки.
Цю оптимальну точку неможливо знайти відразу. Багато тестів потрібно проводити в різні періоди часу та з різною концентрацією дейтерію, щоб знайти найкращу комбінацію, яка мінімізує несприятливі ефекти.
На додаток до короткочасних ефектів, під час тестів необхідно визначати довгострокові ефекти. Всі системи органів в організмі повинні бути ретельно обстежені. Крім того, слід розглянути такі методи, як дієта без дейтерію, яка допоможе організму знову знайти оптимальний баланс.
Після того, як будуть визначені межі безпечного використання дейтерію, логічним наступним кроком буде дослідження сумісності лікування дейтерієм з хіміотерапією та променевою терапією. Це було б важливо, оскільки лікування дейтерієм не лікує рак, воно лише гальмує його розвиток. Тому протиракове лікування слід застосовувати у поєднанні з лікуванням дейтерієм. Ефективність лікування дейтерієм також слід перевірити при різних видах раку людини.
Дейтерій в організмі уповільнює мітоз як у нормальних, так і в ракових клітинах. Уповільнюючи мітоз, він зменшує швидкість росту раку, сподіваємось, до того моменту, коли він зупиняється або запобігає метастазуванню, щоб дати час хірургічному видаленню пухлини. Це також уповільнює ріст пухлини та покращує ефективність опромінення та хіміотерапії. Дейтерій дають у формі оксиду дейтерію, тобто важкої води, у відносно низьких концентраціях, щоб мінімізувати ступінь тяжкості інших ефектів.
Лікування може також впливати на системи органів з дуже високою метаболічною або мітотичною активністю. Таким чином травна система і кістковий мозок. Загоєння також значно сповільнюється, оскільки воно також залежить від мітозу. Це, в свою чергу, може спричинити ускладнення у пацієнтів, які також мають інші фізичні проблеми. У пацієнтів, які закінчили опромінення, хіміотерапію або хірургічне втручання, терапію дейтерієм слід негайно припинити. Концентрація дейтерію в їх організмі поступово зменшиться, і нормальний рівень мітозу буде відновлений, поки пацієнт одужує від інших процедур.
Інгібуюча дія оксиду дейтерію на мітоз клітин дає можливість, яка може бути використана при лікуванні раку людини. Сучасні методи лікування онкологічних хворих, такі як хіміотерапія або опромінення, спричиняють травмування організму; хоча важка вода їх не замінює, але запобігає зростанню метастазів або раку. Завдяки своїм мітотичним інгібуючим властивостям клітину дейтерію можна використовувати для уповільнення росту будь-якої пухлини до тих пір, поки пухлини не можуть бути знищені відомими на даний момент способами. Таким чином, використання цих методів лікування може бути мінімальним.
Основним обмежуючим фактором використання оксиду дейтерію в організмі людини є те, що якщо його використовувати у занадто високій концентрації або занадто довго, це може мати шкідливий вплив на пацієнта. При тривалому використанні навіть низькі концентрації можуть мати серйозні побічні ефекти. Тому оксид дейтерію найкраще використовувати як проміжний продукт для допомоги іншим методам лікування раку.
Миші з дефіцитом тимусу: також відомі як оголені миші, яким не вистачає тимусу і тому на них немає волосся.
Цитостатичний: інгібітор росту клітин.
Диференційовані ракові клітини: клітини, що представляють запущену стадію раку.
Швидкість клубочкової фільтрації: швидкість фільтрації крові через капіляри в нирках.
Глікоген: багато розгалужений запас глюкози в печінці та м’язах тварин, тваринний еквівалент крохмалю.
Метастазування: поширення ракових клітин, їх перенесення з початкового органу в інше місце.
Некроз: руйнування тканин.
Prócium: атом водню з протоном та електроном.
Нирковий плазмовий потік: кровотік у нирках.
Соматична клітина: будь-яка клітина багатоклітинного організму, крім сперматозоїда або яйцеклітини.
Котушкові волокна: довгі циліндричні білкові молекули.
Синергія: одночасно відбувалися різні речі, ефект яких, таким чином, більший, ніж сума окремих ефектів.
Тимус (тимус): ендокринна залоза на шиї ссавців, яка відповідає за функціонування імунної системи; він виділяє тимозин, який стимулює Т-клітини.
Пухлинна: пухлина, що викликає.
В'язкість: властивості рідин, характеризує їх щільність і плинність.