Odhad rizika z nadbytku mědi v lidské populaci

ABSTRACT

Odhad rizika u živin předpokládá jednu populaci s normálním rozložením indexů potřeby a nadbytku. Toxické hladiny jsou z definice příjmem nad horní hranici; u mědi však vzhledem k tomu, že nám chybí neinvazivní citlivé biomarkery skladování nebo časného poškození z nadbytku, je nadbytek založen na zřídkavém výskytu klinického onemocnění, jako je nevysvětlitelná jaterní cirhóza. Zkoumáme omezení tohoto přístupu pro měď vzhledem k velmi nízkému výskytu klinických a subklinických onemocnění a navrhujeme, aby populační riziko nadbytku mědi bylo založeno na jaterní zátěži mědí jako potenciálně kvantifikovatelném měření. Výzvou do budoucna je vyvinout biomarkery, které předpovídají populační riziko zvýšených jaterních zásob mědi, a tím i možnost onemocnění v populaci.

ÚVOD

Tradiční hodnocení rizika deficitu a nadbytku živin předpokládá jednu populaci s požadavky, které se řídí normálním rozdělením; na základě toho se stanoví průměrný požadavek a doporučený příjem, který pokryje pevné (97,5) procento skupiny. Horní úroveň definuje horní hranici rozmezí, které je považováno za bezpečné. Toxické hodnoty jsou podle definice příjmem nad horní hranicí. Zkoumáme omezení použití tohoto přístupu na měď vzhledem ke známým a potenciálně náchylným populacím a navrhujeme potenciální metodu kvantifikace populačního rizika z nadbytku mědi na základě dostupných údajů.

Důkaz nutriční esenciality mědi u lidí je stanoven na základě přítomnosti mědi v organismu, prokázání nepříznivých účinků, pokud je odstraněna ze stravy, a konečně příznivého účinku jejího obnovení. Obsah mědi v celém těle dospělého člověka je ≈80 mg (rozmezí: 50-120 mg), přičemž nejvyšší koncentrace se nacházejí v játrech a mozku (5,1 a 6,3 μg/g vlhké hmotnosti; 1, 2). Měď v játrech představuje hlavní formu ukládání, zatímco vysoký obsah v bazálních gangliích mozku se vysvětluje úlohou mědi v metabolismu neurotransmiterů. U pacientů, kteří dostávají intravenózní výživu bez přídavku minerálů, dochází k jejímu nedostatku a během několika týdnů po deprivaci mědi se u nich projeví anémie a neutropenie, které se dodáním mědi zvrátí (2). Požadavky na měď a jejich základ a možnosti jejího nedostatku a nadbytku jsou uvedeny v dalších článcích této přílohy.

Člověk se může adaptovat na nadměrnou expozici mědi z potravy, vody nebo doplňků stravy tím, že se zvyšující se expozicí klesá absorbovaná frakce (3, 4). Některé kovy a další složky potravy brání vstřebávání mědi, zatímco bílkoviny a histidin vstřebávání zvyšují. Jak bylo zdůrazněno v části tohoto doplňku věnované střevnímu metabolismu mědi, střevo je nejen zodpovědné za regulovaný příjem mědi, ale slouží také jako místo pro její skladování, čímž zabraňuje vstupu nadbytečné mědi do portální krve. Za normálních podmínek dochází k přenosu mědi do jater v komplexu s bílkovinami prostřednictvím portální žíly. Měď je v enterocytech vázána především na metalothionein. Pokud je z jakéhokoli důvodu překročena zásobní vazebná kapacita metalothioneinu, dochází k denaturaci metalothioneinu, čímž ztrácí schopnost vázat měď, a nastává buněčná smrt. To je ve skutečnosti další potenciální ochranný mechanismus ve střevě představující první linii obrany proti nadbytku mědi (4, 5).

K vychytávání mědi z portálního oběhu dochází ve fenestrovaných kapilárách; mědi jsou tedy vystaveny hepatocyty a Kupferovy buňky. Jakmile měď vstoupí do hepatocytu prostřednictvím specifických transportérů (CTR1, ATP7A), je vychytávána specifickými chaperony, které určují konečné určení kovu z hlediska funkčních proteinů, z nichž nejdůležitější jsou cytochrom c oxidáza, superoxid dismutáza a ceruloplazmin. Přebytečná měď se váže na metalothionein, zatímco měď potřebná pro ferroxidázovou aktivitu se přenáší do Golgiho s příslušným apo-ceruloplasminem pro export do jiných orgánů prostřednictvím systémového oběhu. Měď je tedy vylučována z jater do systémového oběhu převážně vázaná na ceruloplasmin nebo vázaná na malé peptidy. Buněčný příjem v některých tkáních je zprostředkován specifickými ceruloplasminovými receptory na povrchu buněk. Pokud je v hepatocytech nadbytek mědi, dochází k translokaci ATP7B z Golgiho do vezikulárního transportního systému odpovědného za transport a k jeho vylučování do žlučových kanálků. Měď může být také vylučována do žlučových kanálků vázaná na glutathion nebo uložená v lysozomech vázaná na metalothionein nebo na lysozomální proteiny (6, 7). Přesná distribuce mědi do těchto alternativních transportních systémů není známa, ale lysozomální cesta vylučování je zřejmě indukována pouze v přítomnosti nadbytku mědi v játrech. Biliární exkrece je hlavní formou eliminace mědi u lidí a je rozhodujícím preventivním faktorem v reakci na vysokou expozici (7, 8). Fungování tohoto systému vyžaduje nejen přítomnost příslušných proteinů souvisejících s mědí a Golgiho vezikulárního systému, ale potřebuje také cytoskeletální strukturální proteiny nezbytné pro sekreci do kanálků (7, 8). Tento složitý, redundantní systém vysvětluje obtížnost vyvolání nadbytku mědi v játrech; matematické modelování biologických reakcí regulačních reakcí enterocytů a systému vychytávání-ukládání a vylučování mědi v játrech na základě skutečných údajů naznačuje, že schopnost adaptace zdravého člověka na nadbytek mědi je nejméně desetinásobek denní potřeby mědi (5-9). Homeostatické údaje předpovídají, že se zvýší zásoby v játrech; pokud jsou však vylučovací cesty neporušené, zvýší se lineárně vylučování žlučí při expozici až na 20-30násobek průměrné potřeby, aniž by byly prokázány nepříznivé účinky.

RIZIKO NADMĚRNÉHO OBSAHU MĚDI

Je tomu >80 let, co londýnský neurolog SAK Wilson definoval familiární syndrom progresivní degenerace čočky spojené s jaterní cirhózou. Wilsonova choroba je nyní uznávána jako autozomálně recesivní genetické onemocnění charakterizované defektem ve vylučování mědi žlučí; měď se hromadí v játrech a mozku a způsobuje změnu struktury a funkce těchto orgánů (10). Bylo dosaženo značného pokroku v objasnění klinických, biochemických, genetických a histologických rysů i v léčbě pacientů s tímto onemocněním. Klonování genu pro Wilsonovu chorobu urychlilo naše chápání tohoto onemocnění, nicméně široké uplatnění genetického screeningu ještě nebylo vyřešeno. Gen Wilsonovy choroby je rozšířen po celém světě a byl prokázán u většiny ras. Současný odhad prevalence je ≈1:30 000 živě narozených dětí; frekvence genu se pohybuje mezi 0,3 % a 0,7 %, což odpovídá míře přenašečství heterozygotů ≈1:100.

Dalšími příklady chronické toxicity mědi jsou indická dětská cirhóza a tyrolská dětská cirhóza (11, 12); tyto případy souvisejí s vysokou expozicí mědi v důsledku živočišného mléka skladovaného nebo ohřívaného v nádobách z mědi nebo slitin mědi. Příjem spojený s cirhózou je běžně 50-100krát vyšší než příjem kojeného dítěte; k vysvětlení individuálního rizika může přispět genetická náchylnost. Měď může působit v synergii s toxiny životního prostředí. Tyto neobvyklé případy zahrnují buď extrémně vysokou expozici mědi (11, 12), nebo netradiční stravovací postupy, jako je užívání doplňků stravy bez lékařského schválení. Dětská cirhóza spojená s mědí je extrémně vzácný stav; u idiopatické toxikózy mědí je odhadovaná incidence na základě prospektivních údajů z Německa 1:500 000 až 1:1 000 000 (13). Údaje o indické dětské cirhóze z Indie ukazují dramatický pokles tohoto onemocnění v důsledku vynechání měděných nádob pro uchovávání a ohřev mléka. Novější pozorování z okresu Pune na základě hospitalizací ukazují výrazný pokles prevalence; od roku 1974 nebyl diagnostikován žádný případ (11). Závěrem lze říci, že indická dětská cirhóza/idiopatická toxikóza mědí je onemocnění neznámé etiologie. Nejpravděpodobnějším vysvětlením tohoto stavu se zdá být kombinace geneticky podmíněného defektu v metabolismu mědi a vysokého příjmu mědi. Relativní podíl jednotlivých faktorů je třeba ještě určit; řízení rizik v tomto případě zahrnuje praktické rady a šíření stávajících pokynů.

Dlouhodobá toxicita mědi při středně vysokých expozicích je méně prozkoumána. Studie provedená v 7 městech v Massachusetts s celkovým počtem 64 124 dětských let expozice dětí mladších 6 let s koncentracemi mědi v pitné vodě v rozmezí 8,4 až 8,8 mg/l neprokázala vyšší výskyt úmrtí v důsledku onemocnění jater (14) než ve městech s nízkým obsahem mědi v pitné vodě. Systematické hodnocení souvislosti dětských onemocnění jater a obsahu mědi v pitné vodě ve Spojeném království neprokázalo žádnou souvislost mezi těmito proměnnými (15). Rozsah přijatelného příjmu pro prevenci nedostatku a toxicity mědi by měl být založen na ochraně zdravé populace a nemělo by se očekávat, že splní požadavky nebo zabrání nadměrnému příjmu u jedinců se zvláštní vnímavostí. Onemocnění nebo genetické změny v metabolismu mědi, které určují zvláštní citlivost na nadbytek nebo deficit, si zaslouží pozornost orgánů veřejného zdraví na základě významu těchto stavů v daném ekologickém prostředí. Horní a dolní hranice pro rozsah přijatelného orálního příjmu jsou definovány pomocí populačního modelu pro hodnocení zdravotních rizik spojených s nedostatkem nebo nadbytkem. Dolní mezní hodnota by měla být dostatečná pro uspokojení požadavků většiny jedinců v populaci. Podobně by horní mezní hodnota měla chránit většinu jedinců před rizikem toxicity. Tento homeostatický model hodnocení rizik použitelný pro esenciální prvky navrhl Mezinárodní program Světové zdravotnické organizace pro chemickou bezpečnost jako základ pro hodnocení rizik esenciálních prvků (16).

EXPOZICE NADMĚŘE

Expozice obyvatelstva mědi probíhá především prostřednictvím pitné vody a závisí na několika faktorech: složení vody, době stagnace kontaktu vody s potrubím, stáří potrubí, postupech instalace měděných trubek, používání měděných trubek ve vodovodních sítích a pitných návycích obyvatel. Koncentrace mědi po dopravě a rozvodu vody v měděném potrubí závisí na chemickém složení vody, především na jejím pH a zásaditosti. Při uvolňování vedlejších produktů mědi hrají roli i další proměnné složení, jako je rozpuštěný anorganický uhlík, organické látky a další sloučeniny (17, 18). Na obrázku 1 je znázorněno kumulativní rozdělení expozice mědi z potravin a vody (lomené čáry) vzhledem k rozdělení populačních fyziologických potřeb nebo toxických množství reprezentovaných zvonovitými křivkami.

Riziko nadbytku mědi u zdánlivě zdravé lidské populace lze předpokládat za relativně vzácných podmínek expozice. Mezi ně patří následující. 1) Populace vystavené vysokému příjmu mědi, tj. osoby, které konzumují vodu s obsahem >5 mg Cu/l, nebo osoby v obecné populaci s vysokým příjmem mědi z potravin nebo doplňků stravy s vysokým obsahem mědi, mohou být ohroženy nadbytkem mědi. Pokud má voda nízký obsah mědi (<0,1 mg/l), může potrava u dospělých představovat >90 % příjmu mědi. Pokud je obsah mědi ve vodě vyšší (1-2 mg/l), může tvořit až 50 % celkového příjmu. U kojenců konzumujících umělou výživu obohacenou mědí může být podíl vody <10 %, zatímco pokud není obohacena mědí, může se voda podílet >50 % na celkovém příjmu mědi, zejména pokud je obsah mědi ve vodě 1-2 mg/l (19). Situace osob užívajících měď jako doplněk stravy se liší; v literatuře existuje jedna kazuistika popsaná O’Donohue et al (20) o muži, u kterého se po užívání doplňku stravy v dávce 30 mg/d po dobu 2 let a poté 60 mg/d po dobu dalšího roku, což je odhadovaný příjem 600-900 μ g – kg-1 – d-1, rozvinulo těžké selhání jater a k přežití byla nutná transplantace jater.

2) Kojenci krmeni umělou výživou, kteří konzumují práškovou výživu obsahující měď a vodu z vodovodu s obsahem >2 mg/l, mohou rovněž překročit horní hranici Světové zdravotnické organizace 150 μg – kg-1 – d-1. Kontrolovaná studie na skupině 100 zdravých kojenců konzumujících po dobu 1 roku téměř dvojnásobné množství z vody s obsahem 2 mg Cu/L však nepředložila žádné biochemické ani klinické důkazy zdravotních problémů (19). Populační studie v Německu rovněž neprokázaly souvislost mezi expozicí mědi z vody o koncentraci ≈0,8 mg/l a klinickými nebo laboratorními důkazy jaterních abnormalit (21).

3) V neposlední řadě mohou být nadbytkem mědi ohroženy skupiny obyvatel, které mohou mít větší náchylnost k nadbytku mědi v důsledku genetických defektů nebo interakcí genů a živin, například osoby heterozygotní pro gen Wilsonovy choroby (viz B na obrázku 1). Tato skupina může představovat až 1 % celkové populace s ohledem na prevalenci Wilsonovy choroby v různých zeměpisných oblastech. Prozatím není známo, zda tyto osoby mají zvýšenou náchylnost ke kumulaci mědi při expozicích považovaných za bezpečné pro běžnou populaci.

Dlouhodobé údaje o bezpečnosti běžné populace jsou omezené a prospektivní studie kontrolující expozici v čase je velmi obtížné provádět. Byly provedeny kontrolované studie po dobu 3-6 měsíců hodnotící reakce na expozici 8-10 mg Cu/d (22, 23). Současné horní limity pro měď jsou 8-10 mg/d; to představuje hranici toho, co lze u normálních lidí eticky hodnotit. Proto nemusí být možné prokázat důkaz klasického onemocnění, pokud genetické faktory nepodmiňují zvýšenou vnímavost. Markery k posouzení časných účinků nadměrné akumulace mědi předtím, než dojde k patologickým změnám, by mohly umožnit posouzení rizika v etické a platné formě. Pokud by byl takový marker k dispozici, bylo by možné zavést účinné řízení rizik zaměřené na náchylné jedince nebo skupiny populace. Problém bohužel neřeší markery expozice; je třeba specifických biomarkerů zatížení jater mědí, které by předpovídaly ukládání na úrovních slučitelných s jaterní cirhózou. Ani markery subklinického onemocnění by nebyly dostatečné, protože jakmile se spustí zánětlivý proces vedoucí k fibróze, může být na preventivní opatření pozdě.

KVANTIFIKACE RIZIKA PŘETÍŽENÍ JÁTRY MĚDIÍ

V současné době je jediným markerem přetížení jater mědí sériové měření obsahu mědi prováděné v jaterních biopsiích. Normální obsah mědi v játrech se pohybuje od 15 do 55 μg/g sušiny jater. Prakticky všichni neléčení pacienti s Wilsonovou chorobou mají zvýšenou koncentraci mědi v játrech, která se pohybuje od 250 do 3000 μg/g sušiny jater. Nález normální koncentrace mědi v játrech účinně vylučuje diagnózu neléčené Wilsonovy choroby. Samotná zvýšená koncentrace mědi v játrech však ke stanovení diagnózy Wilsonovy choroby nestačí, protože koncentrace >250 μg/g lze nalézt u jiných chronických jaterních onemocnění, včetně primární biliární cirhózy, primární sklerotizující cholangitidy, extrahepatální biliární obstrukce nebo atrézie, chronické aktivní hepatitidy, intrahepatální cholestázy v dětství a indické dětské cirhózy. Alternativním markerem by mohla být koncentrace a úroveň nasycení ceruloplazminu; tento ukazatel bohužel reaguje na nízký příjem mědi, ale v přítomnosti nadbytku mědi se nezvyšuje. Normální koncentrace ceruloplazminu v séru je 200 až 400 mg/l; ačkoli jsou koncentrace u lidských novorozenců nízké, během prvních 2 let života postupně stoupají, což se shoduje s postnatálním poklesem koncentrace mědi v játrech. Koncentrace jsou pod normou u ≈90 % všech pacientů s Wilsonovou chorobou. Potíže mohou nastat u 10 % heterozygotních nositelů genu pro Wilsonovu chorobu, u nichž se projevují snížené sérové koncentrace ceruloplazminu, ale nikdy se u nich nevyvinou klinické příznaky nebo známky choroby. Tito jedinci, kteří v běžné populaci představují ≈1:2000 osob, mohou představovat obtížné diagnostické dilema, pokud se u nich náhodou vyvine hepatitida nebo cirhóza sekundárně způsobená jinou etiologií, čímž napodobí klinické, biochemické a histologické rysy Wilsonovy choroby.

Systematické studie u lidí naznačují, že konzumace nápojů nebo pitné vody s obsahem mědi vyšším než 5-6 mg/l vede k nevolnosti, zvracení a průjmu u >5 % exponovaných osob (24). Proto byla současná směrnice Světové zdravotnické organizace pro pitnou vodu stanovena na 2 mg/l. Tato hodnota byla považována za bezpečnou pro chronickou expozici populace, protože prozatím neexistují důkazy o opaku, s výjimkou pacientů s Wilsonovou chorobou (24). Expertní skupina Národní akademie věd USA však požádala o prozkoumání, zda by americký limit 1,3 mg Cu/l ve vodě mohl být zvýšen na 2 mg/l při zachování stávající úrovně, protože pouze polovina odborníků navrhovanou změnu akceptovala (25, 26). Zbylá polovina se obávala možných chronických zdravotních účinků vzhledem k nejisté četnosti genetické náchylnosti. Domnívali se, že až 1 % populace je heterozygotní pro gen Wilsonovy choroby a potenciálně další 1 % může mít jiné geny náchylnosti, a proto je třeba definovat dlouhodobý účinek této úrovně expozice u geneticky náchylných jedinců.

I kdybychom měli dokonalý marker Wilsonovy choroby se 100% prediktivní silou, vyžadovalo by to velký vzorek k prokázání přítomnosti nebo nepřítomnosti rizika s dostatečnou silou pro vedení preventivních opatření na úrovni populace. V tabulce 1 je uvedeno specifické riziko pro různé potenciální klinické a subklinické koncové ukazatele a celkové populační riziko jakéhokoli měřitelného účinku s ohledem na různé úrovně expozice populace na základě modelu uvedeného na obrázku 1. Koncové body jsou založeny na známých četnostech genetických defektů, které definují zvýšenou náchylnost při nižších úrovních expozice. Je zřejmé, že při obvyklých expozicích by bylo velmi vzácné nalézt klinické příznaky nebo dokonce subklinické příznaky; jediným citlivým měřítkem pro nadbytek mědi by tedy byly indexy, které předpovídají zatížení jater mědí. Například pokud je prevalence heterozygotních jedinců 1 % a všichni nositelé jednoho abnormálního genu mají nadměrnou akumulaci mědi v játrech, za předpokladu, že bychom měli dokonalý biomarker, potřebovali bychom >3000 subjektů, abychom s 90% silou a významností 0,05 prokázali relativní riziko 2:1 akumulace nadměrného množství mědi oproti normálu. Pokud by relativní riziko bylo 10:1, potřebovali bychom o něco méně subjektů (27). Pokud bychom však jako relevantní výsledek zvolili cirhózu jater, potřebovali bychom 100 000 až 500 000 subjektů, abychom prokázali relativní riziko 10:1 s 90% silou a významností <0,05. Tento velký počet je nutný proto, že cirhóza by byla stále poměrně vzácná, možná maximálně 1 na 10 000, uvážíme-li, že homozygotní stav se klinicky projeví v průměru pouze u 1 z 30 000 osob. Tato čísla by byla ještě vyšší, pokud by danému množství mědi byl vystaven pouze zlomek populace (27).

ZÁVĚRY

Prevalence klinických a subklinických onemocnění souvisejících s nadbytkem mědi je extrémně nízká; proto jsou počty exponovaných osob potřebné k definování rizika velmi vysoké (≈500 000). Populační riziko nadbytku mědi by mělo být posuzováno na základě jaterní zátěže mědí jako potenciálně měřitelného výsledku, protože ta je potenciálně častější. Úkolem je vyvinout biomarkery nadbytku, které předpovídají populační riziko nálezu jaterního obsahu mědi >250 μg/g sušiny jater při dané úrovni expozice mědi.

Příspěvky autorů byly následující – RU a MA přezkoumali téma, konceptualizovali problém a společně napsali článek; AM a RU definovali přístup, předpoklady a výpočty použité při odhadu populačního rizika nadbytku mědi.

Autoři neměli přímý střet zájmů. Částečnou podporu získali od Mezinárodní asociace pro měď.

FOTOGRAFIE