thumb|Structuurformule van een nitrosamine. Nitrosamines, nitraminen of N-nitrosoverbindingen zijn een klasse van organische verbindingen met de algemene formule R1R2N-NO. Onder bepaalde omstandigheden (zuur milieu, hoge temperatuur) kunnen deze verbindingen uit nitriet en amines worden gevormd. De meeste leden van deze chemische familie hebben een carcinogene werking.R. Preussmann, B.W. Stewart: N-nitroso carcinogens. In: Chemical Carcinogens. 1984. ACS Monograph 182, Vol. 2 ed Searle C.E. pp. 643–828, American Chemical Society.
Door de hoge carcinogene potentie en het frequente voorkomen zijn de nitrosamines de best bestudeerde klasse chemische carcinogenen.
Geschiedenis Ontdekking Nitrosamines werden in 1883 ontdekt door Antoine Franchimont (1844–1919), hoogleraar organische chemie aan de Universiteit van Leiden. Na een publicatie van de twee Britse wetenschappers John Barnes en Peter Magee in 1956 over de vorming van levertumoren na blootstelling aan dimethylnitrosamine begon het onderzoek naar de carcinogeniciteit van N-nitrosoverbindingen.P.N. Magee, J.M. Barnes: The production of malignant primary hepatic tumours in the rat by feeding dimethylnitrosamine. 1956. British Journal of Cancer, 10, 114–122. Meer dan 90% van de rond 300 onderzochte verbindingen bleek carcinogeen in verschillende proefdieren.
In de jaren 1970 en 1980 werd het door de ontwikkeling van betrouwbare analysemethodes mogelijk om het nitrosaminegehalte in voedsel en drank te bepalen. Ondanks dat er door incidenten met dimethylnitrosamine in vismeel (begin van de jaren 1970) en door hoge concentraties nitrosamines in gepekeld vlees (eind van de jaren 1970) duidelijk aanwijzing bestond voor een relatie tussen N-nitrosoverbindingen en het ontstaan van kanker, zijn de wettelijke beperkingen wereldwijd bijna verwaarloosbaar.R.A. Scalan (2000) Nitrosamines and cancer. (accessed 9 april 2010) Zo heeft de Amerikaanse Environmental Protection Agency (EPA) N-nitrososamines maar als 'mogelijk carcinogeen in de mens' geclassificeerd. In de IARC-classificatie zijn de verbindingen dimethyl- en di-ethylnitrosamine opgenomen in categorie 2A (waarschijnlijk humane carcinogenen).Overall Evaluations of Carcinogenicity to Humans – Group 2A: Probably carcinogenic to humans. IARC monographs volumes 1-99. (accessed 13 april 2010) Vooral politieke interesses van de verschillende industrieën maken het mogelijk dat over de gevolgen van blootstelling aan nitrosaminen op lange termijn nog steeds weinig bekend is.C. Crews: The determination of N-nitrosamines in food. 2009. Quality Assurance and Safty of Crops & Foods, Vol 2 Issue 1, pp. 2-12.
Incidenten De eerste wetenschappelijk aangetoonde vergiftiging met nitrosamines gebeurde 1964. Hierbij zijn in Noorwegen een groot aantal schapen overleden aan levertumoren, nadat ze voer hadden gekregen waaraan nitrietzouten en amines waren toegevoegd als conserveringsmiddelen. In de kadavers werden hoge concentraties N-nitrosoverbindingen aangetoond.P.N. Magee: Nitrosamines and Human Cancer. 1996. European Journal of Cancer Prevention 5, suppl.1, 7-10.
In de jaren 80 zijn N-nitrosoverbindingen als kankertherapeutica gebruikt, bijvoorbeeld semustine (CNU) en procarbazine (PCZ). In epidemiologische studies met betrekking tot deze geneesmiddelen zijn voor het eerst overtuigende aanwijzingen op carcinogene effecten van nitrosamines op de mens gevonden.
Humane carcinogeniciteit Data met betrekking tot de carcinogeniciteit van N-nitrosoverbindingen is verregaand afkomstig uit proefdieronderzoek. Hoewel dit indicatie is voor een carcinogene werking ook in de mens, zijn nog geen algemeen aanvaarde bewijzen hiervoor voorgelegd. Uit verschillende studies en incidentanalyses blijkt echter een carcinogene werking van enkele N-nitrosoverbindingen ook in de mens. Gezien het feit dat de metabole routes zeer vergelijkbaar zijn en soortgelijke reactieve metabolieten involveren leiden sommige wetenschappers hier een algemeen carcinogeen effect op de mens uit af. Een analyse van een groot aantal epidemiologische studies van de afgelopen jaren met betrekking tot de gastro(GC)- en oesofagocarcinogene (OC) effecten van nitriet- en nitrosamine opname heeft een positieve associatie voor GC en onvoldoende bewijsmateriaal voor OC vastgesteld.P. Jakszyn, C.A. González: Nitrosamine and related food intake and gastric and oesophageal cancer risk: A systematic review of the epidemiological evidence. 2006. World J Gastroenterol 21;12(27):4296-4303
Voorbeelden triviaalnaam IUPAC-naam structuur Dimethylnitrosamine (NDMA) N,N-dimethylnitrous amide 150px Diethylnitrosamine (NDEA) N,N-diethylnitrous amide 150px Nitrosarcosine 2-[methyl(nitroso)amino]acetic acid 150px Nitrosopyrrolidine 1-nitrosopyrrolidine 100px Nitrosopiperidine 1-nitrosopiperidine 150px Nitrosoproline 1-nitrosoproline 150px Nicotine-derived nitrosamine ketone (NNK) 4-(methylnitrosamino)- 1-(3-pyridyl)-1-butanone 150px N-nitrosonornicotine (NNN) 3-(1-Nitrosopyrrolidin-2-yl)pyridine 150px Baltes, Werner: Lebensmittelchemie. 3. druk, 1992. Springer, pp. 352
Vorming en biotransformatie Endogene vorming Onder zure omstandigheden – bijvoorbeeld in de maag – worden nitrosamines gevormd uit nitriet en amines. Nitriet wordt door protonatie omgezet in salpeterig zuur Herhaalde protonatie leidt tot splitsing in nitrosyl en water Het nitrosyl reageert vervolgens met een secundair amine tot een N-nitrosoverbinding.
(1) (2) (3)
Exogene vorming De reactie van nitriet met secundaire amines tot N-nitrosoverbindingen kan ook aflopen bij hoge temperatuur. Deze route is voornamelijk significant voor de opname via voeding (zie Blootstelling) en het roken van tabak.
Bioactivering De toxische werking van N-nitrosamines is gebaseerd op de bioactivering door het enzym cytochroom P450 (CYP450). Dit enzym initieert het metabolisme van de nitrosoverbinding door α-carbon hydroxylatie en vervolgens dealkylering.J. Jalas. S. Hecht, S. Murphy: Cytochrome P450 Enzymes as Catalysts of Metabolism of 4-(Methylnitro-samino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone, a Tobacco Specific Carcinogen. 2005. Chem. Res. Toxicol. vol 18, no 2 In het vervolg wordt zowel een alkylerend carbeniumion als een reactief aldehyde gevormd (zie reactieschema), dat voornamelijk DNA, maar ook proteïnen kan acetyleren.L. Shu and P.F.Hollenberg: Alkylation of cellular macromolecules and target specificity of carcinogenic nitrosodialkylamines: metabolic activation by cytochromes P450 2B1 and 2E1 1997. Carcinogenesis vol.18 no.4 pp.801–810. Andere metabolieten, zoals hydrazines, spelen een minder belangrijke rol in de toxiciteit, maar zijn wel aanwezig en worden via verschillende routes gevormd.I. Shigu et al.: Studies on Bioactivation of Nitrosamines. Reductive Metabolism of a Nitrosamine to the corresponding hydrazine. 1983. J.Pharm.Dyn. 6. s-67. center|650px|thumb|Figuur 1 Bioactivering van nitrosamines
Detoxificatie De ontgifting van N-nitrosamines wordt eveneens gecatalyseerd door CYP450 en is competitief met het mechanisme voor dealkylering en vorming van het carbeniumion.K.E. Appel, C.S. Rühl, A.G. Hildebrandt: Metabolic inactivation of N-nitrosamines by cytochrome P-450 in vitro and in vivo. 1984. IARC Sci Publ ; 443-451. Hierbij wordt nitriet afgesplitst wat de vorming van het carcinogene diazoniumion voorkomt.David Wade, Bruce A. Mico et al.: Deuterium Isotope Effect on Denitrosation and Demethylation of W-Nitrosodimethylamine by Rat Liver Microsomes. 1987. Cancer Research 47, 3373-3377.
Bovendien kunnen nitrosamines en hun elektrofiele alkylerende metabolieten zoals carbeniumionen door conjugering met a) glutathione via het enzym glutathione-S-transferase (GST) of b) glucuronide via UDP-glucuronosyltransferase (UDPGT) onschadelijk worden gemaakt.D.J. Waxman: Glutathione S-Transferases: Role in Alkylating Agent Resistance and Possible Target for Modulation Chemotherapy - A Review. 1990. Cancer Research 50, 6449-6454.P. Lazarus et al.: Characterization of N-Glucuronidation of the Lung Carcinogen 4-(methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanol (NNAL) in Human Liver: Improtance of UDP-Glucuronosyltransferase 1A4. Drug Metabolism and Disposition Vol. 32, No. 1, 72–79.
Mechanisme van toxiciteit Carcinogene werking thumb|Figuur 2 Alkylering van desoxyguanosine op de posities O6 en N7 De sterk carcinogene werking van nitrosamines, die voor 90% van alle in proefdieren geteste N-nitrosoverbindingen is vastgesteld, is een gevolg van de metabole vorming van het reactieve carbeniumion, een sterk alkylerend reagens. Dit elektrofiele ion reageert met de elektronenrijke atomen van DNA-basen. Alkylering vindt voornamelijk plaats aan de O6- en N7-posities van guanineJohn A. Timbrell: Principles of Biochemical Toxicology. 4th Edition. 2009 Informa Healthcare USA, Inc. en kan tot verschillende effecten leiden: Vooral methylering van de O6-positie beïnvloedt de paringseigenschappen van guanine met zijn complementaire base cytosine en verstoort daarbij de O6-waterstofbrug. Dit kan als gevolg van DNA-repair-mechanismen tot een G-C A-T mutatie leiden. De mutagene werking via methylering van guanineresiduen blijkt de hoofdoorzaak voor tumorinductie door nitrosamines te zijn.V.M. Lee, L.K. Keefer, M.C. Archer: An Evaluation of the Roles of Metabolic Denitrosation and α-Hydroxylation in the Hepatotoxicity of N-Nitrosodimethylamine. 1996. Chem. Res. Toxicol. 9, 1319-1324
Bovendien kan alkylering leiden tot ontwinding of crosslinking van DNA en zodoende tot verstoring van cellulaire transcriptie- en replicatiemechanismen. Worden hierbij tumorsuppressorgenen beschadigd of genen die betrokken zijn bij de regulatie van celgroei- en celdelingprocessen, kan zo eveneens een carcinogeen effect optreden.
Uit recent onderzoek is verder de potentie van N-nitrosoverbindingen gebleken RNA te acetyleren. Omdat de regulatie van celproliferatie en -differentiatie niet alleen op het niveau van transcriptie plaatsvindt maar voor het grootste gedeelte op niveau van translatie, zouden de acetyleringseigenschappen t.o.v. RNA een tweede belangrijke factor in carcinogenese door nitrosamines kunnen zijn.
Acute toxiciteit Overmatige alkylering van het DNA kan ook direct tot celdood via apoptose (geprogrammeerde celdood) of necrose (niet-intentieuze celdood) leiden. Herkenning van sterke beschadiging van het genetisch materiaal door cellulaire regulatie-enzymen heeft apoptose tot gevolg, terwijl schade in essentiële genen ook necrose kan veroorzaken door bijvoorbeeld de ATP-huishouding te verstoren. Acute toxiciteit kan ook worden veroorzaakt door vorming van adducten met proteïnen via carbeniumion-gemedieerde alkylering of proteïnebinding van de nitrosamines via andere reactieve groepen of andere reactieve metabolieten.
Orgaanspecificiteit Beschadiging van weefsel door eenmalige of chronische blootstelling is gevonden in voornamelijk de lever en de nier, maar ook in long, CZS, alvleesklier, mondholte en slokdarm.W.N. Rom, S.B. Markowitz: Environmental and occupational medicine. 2007. 4th Edition. Lippincott Williams & Wilkins, chapter 80. In de voornamelijk betrokken weefsels (lever, nier, long) is telkens hoge activiteit van cytochroom P 450-mono-oxygenases aangetoond. Dit bevestigt de belangrijke rol van het metabolisme in het mechanisme van carcinogeniciteit van N-nitrosoverbindingen.Paul Kleihues et al.: Correlation of DNA Methylation by Methyl(acetoxymethyl)nitrosamine with Organ-specific Carcinogenicity in Rats. 1979. Cancer Research 39, 5136-5140.