Estimación del riesgo por exceso de cobre en poblaciones humanas

ABSTRACT

La evaluación del riesgo para los nutrientes supone una única población con una distribución normal de los índices de necesidades y exceso. Los niveles tóxicos son, por definición, ingestas por encima del nivel superior; sin embargo, en el caso del cobre, dado que carecemos de biomarcadores no invasivos y sensibles de almacenamiento o de daños tempranos por exceso, el exceso se basa en la infrecuente aparición de enfermedades clínicas, como la cirrosis hepática inexplicable. Examinamos las limitaciones de este enfoque para el cobre, dada la muy baja prevalencia de la enfermedad clínica y subclínica, y sugerimos que el riesgo poblacional de exceso de cobre se base en la carga de cobre hepática como una medida potencialmente cuantificable. El reto que tenemos por delante es desarrollar biomarcadores que predigan el riesgo poblacional de reservas elevadas de cobre hepático y, por tanto, la posibilidad de enfermedad en una población.

INTRODUCCIÓN

La evaluación tradicional del riesgo de déficit y exceso de nutrientes parte de la base de una población única con necesidades que siguen una distribución normal; en base a ello, se establece una necesidad media y una ingesta recomendada para cubrir un porcentaje fijo (97,5) del grupo. Un nivel superior define el extremo superior del rango que se considera seguro. Los niveles tóxicos son, por definición, ingestas superiores al nivel superior. Examinamos las limitaciones de la aplicación de este enfoque al cobre, dadas las poblaciones conocidas y potencialmente susceptibles, y proponemos un método potencial para cuantificar el riesgo de la población por el exceso de cobre sobre la base de los datos disponibles.

La prueba de la esencialidad nutricional del cobre en los seres humanos se establece sobre la base de la presencia de cobre en el cuerpo, la demostración de los efectos adversos si se elimina de la dieta y, finalmente, el efecto beneficioso de restaurarlo. El contenido de cobre en todo el cuerpo de los adultos es de ≈80 mg (rango: 50-120 mg), encontrándose las mayores concentraciones en el hígado y el cerebro (5,1 y 6,3 μg/g de peso húmedo, respectivamente; 1, 2). El cobre hepático representa la principal forma de almacenamiento, mientras que el alto contenido en los ganglios basales del cerebro se explica por el papel del cobre en el metabolismo de los neurotransmisores. Los pacientes que reciben nutrición intravenosa sin adición de minerales desarrollan una deficiencia, mostrando anemia y neutropenia a las pocas semanas de la privación de cobre, que se revierten al aportar cobre (2). Las necesidades de cobre y su base, así como el potencial de deficiencia y exceso, se presentan en otros artículos de este suplemento.

Los seres humanos pueden adaptarse a una exposición excesiva al cobre procedente de los alimentos, el agua o los suplementos, disminuyendo la fracción absorbida a medida que aumenta la exposición (3, 4). Algunos metales y otros componentes de la dieta interfieren en la absorción del cobre, mientras que las proteínas y la histidina mejoran la absorción. Como se señala en la sección de este suplemento sobre el metabolismo intestinal del cobre, el intestino no sólo es responsable de la captación regulada de cobre, sino que también sirve como lugar de almacenamiento, evitando así que el exceso de cobre entre en la sangre portal. En condiciones normales, la transferencia de cobre al hígado se realiza mediante complejos con proteínas a través de la vena porta. El cobre en el enterocito está unido principalmente a la metalotioneína. Si por alguna razón se supera la capacidad de unión de la metalotioneína, ésta se desnaturaliza, perdiendo así su capacidad de unión al cobre, y se produce la muerte celular. Este es, de hecho, otro posible mecanismo de protección en el intestino que representa una primera línea de defensa contra el exceso de cobre (4, 5).

La captación de cobre desde la circulación portal se produce en los capilares fenestrados; así, los hepatocitos y las células de Kupfer están expuestos al cobre. Una vez que el cobre entra en el hepatocito a través de transportadores específicos (CTR1, ATP7A), es captado por chaperonas específicas que definen el destino final del metal en términos de proteínas funcionales, de las cuales la citocromo c oxidasa, la superóxido dismutasa y la ceruloplasmina son las más importantes. El exceso de cobre se une a la metalotioneína, mientras que el cobre necesario para la actividad de la ferroxidasa se transfiere al Golgi con la correspondiente apo-ceruloplasmina para su exportación a otros órganos a través de la circulación sistémica. Así, el cobre es secretado desde el hígado a la circulación sistémica predominantemente unido a la ceruloplasmina o a pequeños péptidos. La captación celular en algunos tejidos está mediada por receptores específicos de la superficie celular de la ceruloplasmina. Si hay un exceso de cobre en los hepatocitos, el ATP7B se transloca desde el Golgi a un sistema de transporte vesicular responsable del transporte y se secreta en los canalículos biliares. El cobre también puede ser excretado a los canalículos unido al glutatión o almacenado en los lisosomas unido a la metalotioneína o a las proteínas lisosomales (6, 7). Se desconoce la distribución exacta del cobre en estos sistemas de transporte alternativos, pero aparentemente la vía lisosomal de excreción se induce sólo en presencia de un exceso de cobre hepático. La excreción biliar es la principal forma de eliminación del cobre en los seres humanos y es el factor preventivo crítico en respuesta a una exposición elevada (7, 8). El funcionamiento de este sistema requiere no sólo la presencia de las respectivas proteínas relacionadas con el cobre y el sistema vesicular derivado del Golgi, sino que también necesita las proteínas estructurales del citoesqueleto necesarias para la secreción en los canalículos (7, 8). Este intrincado y redundante sistema explica la dificultad de inducir un exceso de cobre en el hígado; la modelización matemática de las respuestas biológicas de las respuestas reguladoras de los enterocitos y del sistema de captación-almacenamiento y excreción del hígado, basada en datos reales, sugiere que la capacidad de adaptación de los seres humanos sanos al exceso de cobre es al menos 10 veces superior a las necesidades diarias de cobre (5-9). Los datos homeostáticos predicen que las reservas hepáticas aumentarán; sin embargo, si las vías excretoras están intactas, la excreción biliar aumentará linealmente con exposiciones de hasta 20-30 veces las necesidades medias sin evidencia de efectos adversos.

RIESGO DE EXCESO DE COBRE

Hace >80 años que el neurólogo londinense SAK Wilson definió un síndrome familiar de degeneración lenticular progresiva asociado a cirrosis hepática. La enfermedad de Wilson se reconoce ahora como un trastorno genético autosómico recesivo caracterizado por un defecto en la excreción biliar de cobre; el cobre se acumula en el hígado y el cerebro causando una alteración de la estructura y la función de estos órganos (10). Se han logrado avances considerables en la elucidación de las características clínicas, bioquímicas, genéticas e histológicas, así como en el tratamiento de los pacientes con esta enfermedad. La clonación del gen de la enfermedad de Wilson aceleró nuestro conocimiento de la enfermedad; sin embargo, todavía no se ha resuelto la aplicación a gran escala del cribado genético. El gen de la enfermedad de Wilson está distribuido por todo el mundo y se ha mostrado en la mayoría de las razas. La estimación actual de la prevalencia es de ≈1:30 000 nacidos vivos; la frecuencia del gen varía entre el 0,3% y el 0,7%, lo que corresponde a una tasa de portadores heterocigotos de ≈1:100.

Otros ejemplos de toxicidad crónica por cobre son la cirrosis infantil india y la cirrosis infantil tirolesa (11, 12); estos casos están relacionados con una elevada exposición al cobre debido a la leche animal almacenada o calentada en recipientes de cobre o aleaciones de cobre. La ingesta asociada a la cirrosis suele ser entre 50 y 100 veces superior a la que recibe un lactante amamantado; la susceptibilidad genética puede contribuir a explicar el riesgo individual. El cobre puede actuar en sinergia con las toxinas ambientales. Estos casos inusuales implican una exposición extremadamente alta al cobre (11, 12) o prácticas dietéticas no convencionales, como la toma de suplementos sin aprobación médica. La cirrosis infantil asociada al cobre es una afección extremadamente rara; para la toxicosis idiopática por cobre, la incidencia estimada basada en datos prospectivos de Alemania es de 1:500 000 a 1:1 000 000 (13). Los datos relativos a la cirrosis infantil de la India revelan un descenso espectacular de esta afección como consecuencia de que se han evitado los recipientes de cobre para almacenar y calentar la leche. Las observaciones más recientes del distrito de Pune, basadas en los ingresos hospitalarios, revelan un importante descenso de la prevalencia; no se ha diagnosticado ningún caso desde 1974 (11). En conclusión, la cirrosis infantil india/toxicosis idiopática por cobre es una enfermedad de etiología desconocida. La explicación más probable de esta afección parece ser una combinación de un defecto determinado genéticamente en el metabolismo del cobre y una ingesta elevada de cobre. La contribución relativa de cada factor está por determinar; la gestión del riesgo en este caso incluye consejos prácticos y la difusión de las directrices existentes.

La toxicidad a largo plazo del cobre en exposiciones moderadamente altas ha sido menos estudiada. Un estudio realizado en 7 ciudades de Massachusetts con un total de 64.124 niños-año de exposición de niños menores de 6 años, con concentraciones de cobre en el agua potable que oscilaban entre 8,4 y 8,8 mg/L, no mostró una mayor prevalencia de muertes por enfermedad hepática (14) que en las ciudades con bajo nivel de cobre en el agua potable. Una evaluación sistemática de la asociación de las enfermedades hepáticas infantiles y el contenido de cobre del agua potable en el Reino Unido no mostró ninguna asociación entre estas variables (15). El rango de ingesta aceptable para prevenir la deficiencia y la toxicidad del cobre debe basarse en la protección de las poblaciones sanas y no debe esperarse que satisfaga las necesidades o prevenga el exceso de individuos con especial susceptibilidad. Las condiciones de enfermedad o las alteraciones genéticas en el metabolismo del cobre que determinan una sensibilidad especial para el exceso o el déficit merecen la atención de las autoridades de salud pública sobre la base de la relevancia de estas condiciones en un entorno ecológico determinado. Los límites superior e inferior de la gama de ingestas orales aceptables se definen utilizando un modelo basado en la población para la evaluación de los riesgos para la salud asociados con la deficiencia o el exceso. El límite inferior debe ser suficiente para satisfacer las necesidades de la mayoría de los individuos de la población. Del mismo modo, el límite superior debe proteger a la mayoría de los individuos del riesgo de toxicidad. Este modelo de evaluación del riesgo homeostático aplicable a los elementos esenciales ha sido propuesto por el Programa Internacional de Seguridad Química de la Organización Mundial de la Salud como base para la evaluación del riesgo de los elementos esenciales (16).

EXPOSICIÓN AL EXCESO DE COBRE

La exposición de la población al cobre se produce principalmente a través del agua potable y depende de varios factores: la composición del agua, el tiempo de contacto estancado entre el agua y la tubería, la edad de la tubería, los procedimientos de instalación de las tuberías de cobre, el uso de tuberías de cobre en las redes de distribución de agua y los hábitos de consumo de la población. La concentración de cobre tras el transporte y la distribución del agua en una tubería de cobre depende de la composición química del agua, principalmente de su pH y alcalinidad. Otras variables de composición, como el carbono inorgánico disuelto, las sustancias orgánicas y otros compuestos, también desempeñan un papel en la liberación de subproductos de cobre (17, 18). En la Figura 1 se ilustra la distribución acumulativa de la exposición al cobre procedente de los alimentos y el agua (líneas discontinuas) en relación con las distribuciones poblacionales de las necesidades fisiológicas o de las cantidades tóxicas representadas por las curvas en forma de campana.

El riesgo de exceso de cobre en poblaciones humanas aparentemente sanas puede hipotetizarse en condiciones de exposición relativamente raras. Entre ellas se encuentran las siguientes. 1) Las poblaciones expuestas a una alta ingesta de cobre, es decir, los sujetos que consumen agua que contiene >5 mg Cu/L o aquellos en la población general con una alta ingesta de cobre a través de los alimentos o suplementos nutricionales con alto contenido de cobre, pueden estar en riesgo de exceso de cobre. Los alimentos pueden representar >90% de la ingesta de cobre en adultos si el agua tiene un bajo contenido de cobre (<0,1 mg/L). Si el contenido de cobre del agua es mayor (1-2 mg/L), puede suponer hasta el 50% de la ingesta total. En los lactantes que consumen fórmulas artificiales suplementadas con cobre, la contribución del agua puede ser <10%, mientras que si la fórmula no está fortificada con cobre, el agua puede aportar >50% de la ingesta total de cobre, especialmente cuando el contenido de cobre del agua es de 1-2 mg/L (19). La situación de las personas que toman cobre como suplemento es diferente; existe un caso en la literatura descrito por O’Donohue et al (20) de un hombre que después de tomar un suplemento de 30 mg/día durante 2 años y luego 60 mg/día durante el año siguiente, una ingesta estimada de 600-900 μ g – kg-1 – d-1, desarrolló una insuficiencia hepática grave y requirió un trasplante de hígado para sobrevivir.

2) Los lactantes alimentados con fórmulas que consumen fórmulas en polvo que contienen cobre y agua del grifo que contiene >2 mg/L también pueden superar el límite máximo de la Organización Mundial de la Salud de 150 μg – kg-1 – d-1. Sin embargo, un estudio controlado en un grupo de 100 lactantes sanos que consumieron cerca del doble de esa cantidad durante 1 año a partir de agua con 2 mg de Cu/L no presentó pruebas bioquímicas ni clínicas de problemas de salud (19). Los estudios basados en la población de Alemania tampoco demostraron una relación entre la exposición al cobre procedente del agua con concentraciones de ≈0,8 mg/L y las pruebas clínicas o de laboratorio de anomalías hepáticas (21).

3) Por último, los grupos de población que pueden tener una mayor susceptibilidad al exceso de cobre como resultado de defectos genéticos o de interacciones entre genes y nutrientes, por ejemplo, las personas heterocigotas para el gen de la enfermedad de Wilson, pueden estar en riesgo de sufrir un exceso de cobre (véase B en la Figura 1). Este grupo puede representar hasta el 1% de la población general, teniendo en cuenta la prevalencia de la enfermedad de Wilson en diferentes regiones geográficas. Por ahora, se desconoce si estos sujetos tienen una mayor susceptibilidad a acumular cobre bajo exposiciones consideradas seguras para la población general.

Los datos de seguridad a largo plazo de poblaciones normales son limitados, y los estudios prospectivos que controlan la exposición a lo largo del tiempo son extremadamente difíciles de realizar. Se han llevado a cabo estudios controlados durante 3-6 meses para evaluar las respuestas a la exposición a 8-10 mg de Cu/d (22, 23). Los niveles máximos actuales de cobre son de 8-10 mg/d; esto constituye el límite de lo que puede evaluarse éticamente en humanos normales. Por lo tanto, puede que no sea posible demostrar la evidencia de la enfermedad clásica a menos que los factores genéticos condicionen una mayor susceptibilidad. Los marcadores para evaluar los efectos tempranos de la acumulación excesiva de cobre antes de que se produzcan cambios patológicos podrían permitir evaluar el riesgo de forma ética y válida. Si se dispusiera de un marcador de este tipo, podría llevarse a cabo una gestión eficaz del riesgo dirigida a individuos o grupos de población susceptibles. Lamentablemente, el problema no se resuelve con marcadores de exposición; se necesitan biomarcadores específicos de la carga de cobre en el hígado que predigan el almacenamiento a niveles compatibles con la cirrosis hepática. Incluso los marcadores de la enfermedad subclínica serían inadecuados, ya que una vez que se desencadena el proceso inflamatorio que conduce a la fibrosis, podría ser demasiado tarde para llevar a cabo acciones preventivas.

CUANTIFICACIÓN DEL RIESGO DE EXCESO DE COBRE

Actualmente, el único marcador de la sobrecarga de cobre hepático es la medición seriada del contenido de cobre realizada en biopsias hepáticas. El contenido normal de cobre en el hígado oscila entre 15 y 55 μg/g de hígado seco. Prácticamente todos los pacientes no tratados con la enfermedad de Wilson tienen concentraciones elevadas de cobre hepático, que oscilan entre 250 y 3000 μg/g de hígado seco. El hallazgo de una concentración de cobre hepático normal excluye efectivamente el diagnóstico de la enfermedad de Wilson no tratada. Sin embargo, una concentración elevada de cobre hepático no es suficiente por sí sola para establecer el diagnóstico de la enfermedad de Wilson, porque pueden encontrarse concentraciones >250 μg/g en otros trastornos hepáticos crónicos, como la cirrosis biliar primaria, la colangitis esclerosante primaria, la obstrucción o atresia biliar extrahepática, la hepatitis crónica activa, la colestasis intrahepática de la infancia y la cirrosis infantil india. Un marcador alternativo podría ser la concentración y el nivel de saturación de la ceruloplasmina; desgraciadamente, este indicador responde a las ingestas bajas de cobre pero no aumenta en presencia de un exceso de cobre. La concentración sérica normal de ceruloplasmina es de 200 a 400 mg/L; aunque las concentraciones son bajas en los recién nacidos humanos, aumentan gradualmente durante los primeros 2 años de vida, coincidiendo con el descenso postnatal de la concentración de cobre hepático. Las concentraciones están por debajo del rango normal en ≈90% de todos los pacientes con enfermedad de Wilson. Pueden surgir dificultades en relación con el 10% de los portadores heterocigotos del gen de la enfermedad de Wilson que manifiestan concentraciones séricas disminuidas de ceruloplasmina pero que nunca desarrollan síntomas o signos clínicos de la enfermedad. Estos individuos, que representan ≈1:2000 personas en la población general, pueden presentar un difícil dilema diagnóstico si fortuitamente desarrollan hepatitis o cirrosis secundaria a otras etiologías, imitando así las características clínicas, bioquímicas e histológicas de la enfermedad de Wilson.

Estudios sistemáticos en humanos sugieren que el consumo de bebidas o agua potable con cobre en exceso de 5-6 mg/L produce náuseas, vómitos y diarrea en >5% de los expuestos (24). Por ello, la actual directriz de la Organización Mundial de la Salud para el agua potable se ha fijado en 2 mg/L. Esta cifra se consideró segura para la exposición crónica de la población, ya que por el momento no hay pruebas que indiquen lo contrario, excepto para los pacientes con la enfermedad de Wilson (24). Sin embargo, un grupo de expertos de la Academia Nacional de Ciencias de EE.UU. pidió que se examinara si el límite de EE.UU. de 1,3 mg Cu/L en el agua podía elevarse a 2 mg/L, manteniendo el nivel actual, ya que sólo la mitad de los expertos aceptaron el cambio propuesto (25, 26). La mitad restante estaba preocupada por los posibles efectos crónicos sobre la salud debido a la frecuencia incierta de la susceptibilidad genética. Consideraron que hasta el 1% de la población era heterocigota para el gen de la enfermedad de Wilson y que potencialmente otro 1% podría tener otros genes de susceptibilidad, de ahí la necesidad de definir el efecto a largo plazo de este nivel de exposición en los individuos genéticamente susceptibles.

Incluso si tuviéramos el marcador perfecto para la enfermedad de Wilson, con un poder predictivo del 100%, se requeriría un gran tamaño de muestra para demostrar la presencia o ausencia de riesgo con suficiente poder para guiar la acción preventiva a nivel de la población. En la Tabla 1 se muestra el riesgo específico para varios criterios de valoración clínicos y subclínicos potenciales y el riesgo general de la población de cualquier efecto medible considerando diferentes niveles de exposición de la población basados en el modelo presentado en la Figura 1. Los criterios de valoración se basan en las frecuencias conocidas de defectos genéticos que definen una mayor susceptibilidad a niveles de exposición más bajos. Es evidente que a las exposiciones habituales sería extremadamente raro encontrar signos clínicos o incluso subclínicos; por tanto, la única medida sensible para el exceso de cobre serían los índices que predicen la carga de cobre en el hígado. Por ejemplo, si la prevalencia de individuos heterocigotos es del 1%, y todos los que portan un gen anormal tienen una acumulación excesiva de cobre en su hígado, siempre que tuviéramos el biomarcador perfecto necesitaríamos >3000 sujetos para demostrar con una potencia del 90% y una significación del 0,05 un riesgo relativo de 2:1 de acumular un exceso de cobre en relación con lo normal. Si el riesgo relativo fuera de 10:1, necesitaríamos algo menos de sujetos (27). Sin embargo, si seleccionamos la cirrosis hepática como resultado relevante, necesitaríamos entre 100 000 y 500 000 sujetos para demostrar un riesgo relativo de 10:1 con una potencia del 90% y una significación de <0,05. Este gran número es necesario porque la cirrosis seguiría siendo bastante rara, quizás como mucho 1 de cada 10.000, teniendo en cuenta que el estado homocigoto se manifiesta clínicamente en una media de sólo 1 de cada 30.000. Estas cifras serían aún mayores si sólo una fracción de la población está expuesta al nivel de cobre dado (27).