Estimation du risque d’excès de cuivre dans les populations humaines

ABSTRACT

L’évaluation du risque pour les nutriments suppose une population unique avec une distribution normale des indices de besoins et d’excès. Les niveaux toxiques sont par définition des apports supérieurs au niveau supérieur ; pour le cuivre, cependant, comme nous manquons de biomarqueurs sensibles non invasifs de stockage ou de dommages précoces dus à l’excès, l’excès est basé sur l’apparition peu fréquente d’une maladie clinique, comme une cirrhose hépatique inexpliquée. Nous examinons les limites de cette approche pour le cuivre, étant donné la très faible prévalence des maladies cliniques et subcliniques, et nous suggérons que le risque d’excès de cuivre dans la population soit basé sur la charge hépatique en cuivre, une mesure potentiellement quantifiable. Le défi à venir est de développer des biomarqueurs qui prédisent le risque de population de réserves élevées de cuivre hépatique et donc la possibilité de maladie dans une population.

INTRODUCTION

L’évaluation traditionnelle du risque de déficit et d’excès de nutriments suppose une population unique dont les besoins suivent une distribution normale ; sur cette base, un besoin moyen et un apport recommandé pour couvrir un pourcentage fixe (97,5) du groupe sont établis. Un niveau supérieur définit l’extrémité supérieure de la fourchette considérée comme sûre. Les niveaux toxiques sont par définition des apports supérieurs au niveau supérieur. Nous examinons les limites de l’application de cette approche au cuivre compte tenu des populations connues et potentiellement sensibles et proposons une méthode potentielle pour quantifier le risque pour la population d’un excès de cuivre sur la base des données disponibles.

La preuve de l’essentialité nutritionnelle du cuivre chez l’homme est établie sur la base de la présence de cuivre dans l’organisme, de la démonstration d’effets néfastes s’il est supprimé de l’alimentation, et enfin de l’effet bénéfique de sa restauration. La teneur en cuivre du corps entier chez l’adulte est de ≈80 mg (fourchette : 50-120 mg), les concentrations les plus élevées se trouvant dans le foie et le cerveau (5,1 et 6,3 μg/g de poids humide, respectivement ; 1, 2). Le cuivre hépatique représente la principale forme de stockage, tandis que la teneur élevée dans les ganglions de la base du cerveau s’explique par le rôle du cuivre dans le métabolisme des neurotransmetteurs. Les patients recevant une nutrition intraveineuse sans ajout de minéraux développent une carence, présentant une anémie et une neutropénie en quelques semaines de privation de cuivre, qui sont inversées par l’apport de cuivre (2). Les besoins en cuivre et leur fondement, ainsi que le potentiel de carence et d’excès, sont présentés dans d’autres articles de ce supplément.

Les humains peuvent s’adapter à une exposition excessive au cuivre provenant de l’alimentation, de l’eau ou des suppléments en diminuant la fraction absorbée à mesure que l’exposition augmente (3, 4). Certains métaux et autres composants alimentaires interfèrent avec l’absorption du cuivre, alors que les protéines et l’histidine favorisent l’absorption. Comme indiqué dans la section de ce supplément consacrée au métabolisme intestinal du cuivre, l’intestin n’est pas seulement responsable de l’absorption régulée du cuivre, mais sert également de lieu de stockage, empêchant ainsi l’excès de cuivre de passer dans le sang portal. Dans des conditions normales, le transfert du cuivre vers le foie est complexé avec des protéines via la veine porte. Dans l’entérocyte, le cuivre est principalement lié à la métallothionéine. Si, pour une raison quelconque, la capacité de liaison de la métallothionéine est dépassée, la métallothionéine est dénaturée, perdant ainsi sa capacité à lier le cuivre, et la mort cellulaire s’ensuit. Il s’agit en fait d’un autre mécanisme de protection potentiel dans l’intestin représentant une première ligne de défense contre l’excès de cuivre (4, 5).

L’absorption du cuivre à partir de la circulation portale se produit dans les capillaires fenêtrés ; ainsi, les hépatocytes et les cellules de Kupfer sont exposés au cuivre. Une fois que le cuivre pénètre dans l’hépatocyte via des transporteurs spécifiques (CTR1, ATP7A), il est absorbé par des chaperons spécifiques qui définissent la destination finale du métal en termes de protéines fonctionnelles, dont la cytochrome c oxydase, la superoxyde dismutase et la céruloplasmine sont les plus importantes. L’excès de cuivre est lié à la métallothionéine, tandis que le cuivre nécessaire à l’activité de la ferroxidase est transféré au Golgi avec l’apo-céruloplasmine correspondante pour être exporté vers d’autres organes via la circulation systémique. Le cuivre est donc sécrété par le foie dans la circulation systémique, principalement lié à la céruloplasmine ou lié à de petits peptides. L’absorption cellulaire dans certains tissus est médiée par des récepteurs spécifiques de la surface cellulaire de la céruloplasmine. En cas d’excès de cuivre dans les hépatocytes, l’ATP7B transloque du Golgi vers un système de transport vésiculaire responsable du transport et est sécrété dans les canalicules biliaires. Le cuivre peut également être excrété dans les canalicules lié au glutathion ou stocké dans les lysosomes lié à la métallothionéine ou à des protéines lysosomales (6, 7). La répartition exacte du cuivre dans ces systèmes de transport alternatifs n’est pas connue, mais apparemment la voie lysosomale d’excrétion n’est induite qu’en présence d’un excès de cuivre hépatique. L’excrétion biliaire est la principale forme d’élimination du cuivre chez l’homme et constitue le facteur préventif critique en réponse à une forte exposition (7, 8). Le fonctionnement de ce système requiert non seulement la présence des protéines respectives liées au cuivre et du système vésiculaire dérivé du Golgi, mais aussi des protéines structurelles du cytosquelette nécessaires à la sécrétion dans les canalicules (7, 8). Ce système complexe et redondant explique la difficulté à induire un excès de cuivre dans le foie ; la modélisation mathématique des réponses biologiques des réponses régulatrices des entérocytes et du système d’absorption-stockage et d’excrétion du foie, basée sur des données réelles, suggère que la capacité des humains en bonne santé à s’adapter à un excès de cuivre est au moins 10 fois supérieure aux besoins quotidiens en cuivre (5-9). Les données homéostatiques prédisent que les réserves hépatiques augmenteront ; cependant, si les voies d’excrétion sont intactes, l’excrétion biliaire augmentera linéairement avec des expositions allant jusqu’à 20-30 fois le besoin moyen sans preuve d’effets indésirables.

RISQUE D’EXCÈS DE CUIVRE

Il y a >80 ans, le neurologue londonien SAK Wilson a défini un syndrome familial de dégénérescence lenticulaire progressive associée à une cirrhose du foie. La maladie de Wilson est maintenant reconnue comme une maladie génétique autosomique récessive caractérisée par un défaut d’excrétion biliaire du cuivre ; le cuivre s’accumule dans le foie et le cerveau, entraînant une altération de la structure et de la fonction de ces organes (10). Des progrès considérables ont été réalisés dans l’élucidation des caractéristiques cliniques, biochimiques, génétiques et histologiques ainsi que dans la prise en charge des patients atteints de cette maladie. Le clonage du gène de la maladie de Wilson a accéléré notre compréhension de la maladie ; cependant, l’application à grande échelle du dépistage génétique n’est pas encore résolue. Le gène de la maladie de Wilson est distribué dans le monde entier et a été mis en évidence dans la plupart des races. L’estimation actuelle de la prévalence est de ≈1:30 000 naissances vivantes ; la fréquence du gène varie entre 0,3 % et 0,7 %, ce qui correspond à un taux de porteurs hétérozygotes de ≈1:100.

Autres exemples de toxicité chronique du cuivre : la cirrhose infantile indienne et la cirrhose infantile tyrolienne (11, 12) ; ces cas sont liés à une exposition élevée au cuivre en raison du lait animal stocké ou chauffé dans des récipients en cuivre ou en alliage de cuivre. Les apports associés à la cirrhose sont généralement 50 à 100 fois supérieurs à ceux d’un nourrisson allaité au sein ; la susceptibilité génétique peut contribuer à expliquer le risque individuel. Le cuivre peut agir en synergie avec des toxines environnementales. Ces cas inhabituels impliquent soit une exposition extrêmement élevée au cuivre (11, 12), soit des pratiques alimentaires non conventionnelles, comme la prise de suppléments sans autorisation médicale. La cirrhose infantile associée au cuivre est une affection extrêmement rare ; pour la toxicose idiopathique au cuivre, l’incidence estimée sur la base de données prospectives provenant d’Allemagne est de 1:500 000 à 1:1 000 000 (13). Les données relatives à la cirrhose infantile indienne révèlent un déclin spectaculaire de cette affection résultant de l’évitement des récipients en cuivre pour le stockage et le chauffage du lait. Des observations plus récentes du district de Pune, basées sur les admissions à l’hôpital, révèlent une baisse importante de la prévalence ; aucun cas n’a été diagnostiqué depuis 1974 (11). En conclusion, la cirrhose infantile indienne/toxicose idiopathique au cuivre est une maladie d’étiologie inconnue. L’explication la plus probable de cette affection semble être la combinaison d’un défaut génétiquement déterminé du métabolisme du cuivre et d’un apport élevé en cuivre. La contribution relative de chaque facteur reste à déterminer ; la gestion des risques dans ce cas comprend des conseils pratiques et la diffusion des directives existantes.

La toxicité à long terme du cuivre à des expositions modérément élevées a été moins étudiée. Une étude réalisée dans 7 villes du Massachusetts avec un total de 64 124 enfants-années d’exposition d’enfants de moins de 6 ans, avec des concentrations de cuivre dans l’eau potable allant de 8,4 à 8,8 mg/L, n’a pas montré une prévalence plus élevée de décès dus à des maladies du foie (14) que dans les villes ayant une faible teneur en cuivre dans l’eau potable. Une évaluation systématique de l’association entre les maladies hépatiques infantiles et la teneur en cuivre de l’eau potable au Royaume-Uni n’a montré aucune association entre ces variables (15). La fourchette des apports acceptables pour prévenir la carence en cuivre et la toxicité doit être basée sur la protection des populations saines et ne doit pas être censée répondre aux besoins ou prévenir les excès des individus présentant une susceptibilité particulière. Les conditions pathologiques ou les altérations génétiques du métabolisme du cuivre qui déterminent une sensibilité particulière à l’excès ou au déficit méritent l’attention des autorités de santé publique sur la base de la pertinence de ces conditions dans un cadre écologique donné. Les seuils supérieur et inférieur de la fourchette des apports oraux acceptables sont définis à l’aide d’un modèle basé sur la population pour l’évaluation des risques sanitaires associés à une carence ou à un excès. Le seuil inférieur doit être suffisant pour répondre aux besoins de la plupart des individus de la population. De même, le seuil supérieur doit protéger la plupart des individus contre le risque de toxicité. Ce modèle d’évaluation du risque homéostatique applicable aux éléments essentiels a été proposé par le Programme international pour la sécurité chimique de l’Organisation mondiale de la santé comme base pour l’évaluation du risque des éléments essentiels (16).

EXPOSITION A L’EXCES DE CUIVRE

L’exposition de la population au cuivre se fait principalement par l’eau potable et dépend de plusieurs facteurs : la composition de l’eau, le temps de contact stagnant entre l’eau et le tuyau, l’âge du tuyau, les procédures d’installation des tuyaux en cuivre, l’utilisation de tuyaux en cuivre dans les réseaux de distribution d’eau et les habitudes de consommation de la population. La concentration de cuivre après le transport et la distribution de l’eau dans un tuyau en cuivre dépend de la composition chimique de l’eau, principalement de son pH et de son alcalinité. D’autres variables de composition telles que le carbone inorganique dissous, les substances organiques et d’autres composés jouent également un rôle dans le rejet des sous-produits du cuivre (17, 18). La figure 1 illustre la distribution cumulative de l’exposition au cuivre à partir des aliments et de l’eau (lignes brisées) par rapport aux distributions de la population des besoins physiologiques ou des quantités toxiques représentées par les courbes en forme de cloche.

On peut émettre l’hypothèse d’un risque d’excès de cuivre dans des populations humaines apparemment saines dans des conditions d’exposition relativement rares. Il s’agit notamment des cas suivants . 1) Les populations exposées à un apport élevé en cuivre, c’est-à-dire les sujets qui consomment de l’eau contenant >5 mg Cu/L ou ceux de la population générale ayant un apport élevé en cuivre provenant d’aliments ou de compléments nutritionnels riches en cuivre, peuvent être à risque d’excès de cuivre. L’alimentation peut représenter >90% de l’apport en cuivre chez les adultes si l’eau a une faible teneur en cuivre (<0,1 mg/L). Si la teneur en cuivre de l’eau est plus élevée (1-2 mg/L), elle peut représenter jusqu’à 50 % de l’apport total. Chez les nourrissons consommant des préparations artificielles enrichies en cuivre, la contribution de l’eau peut être <10%, alors que si la préparation n’est pas enrichie en cuivre, l’eau peut contribuer à >50% de l’apport total en cuivre, surtout lorsque la teneur en cuivre de l’eau est de 1-2 mg/L (19). La situation des personnes prenant du cuivre sous forme de supplément diffère ; il existe un rapport de cas dans la littérature décrit par O’Donohue et al (20) d’un homme qui après avoir pris un supplément de 30 mg/j pendant 2 ans puis 60 mg/j pendant l’année suivante, soit un apport estimé à 600-900 μ g – kg-1 – j-1, a développé une insuffisance hépatique sévère et a dû subir une transplantation hépatique pour survivre.

2) Les nourrissons nourris au lait maternisé consommant du lait maternisé en poudre contenant du cuivre et de l’eau du robinet contenant >2 mg/L peuvent également dépasser la limite supérieure de l’Organisation mondiale de la santé de 150 μg – kg-1 – d-1. Cependant, une étude contrôlée dans un groupe de 100 nourrissons en bonne santé consommant près du double de cette quantité pendant 1 an à partir d’une eau contenant 2 mg Cu/L n’a présenté aucune preuve biochimique ou clinique de problèmes de santé (19). Des études de population menées en Allemagne n’ont pas non plus permis de mettre en évidence un lien entre l’exposition au cuivre provenant d’une eau présentant des concentrations de ≈0,8 mg/L et des signes cliniques ou de laboratoire d’anomalies hépatiques (21).

3) Enfin, les groupes de population qui peuvent présenter une plus grande susceptibilité à l’excès de cuivre en raison de défauts génétiques ou d’interactions gènes-nutriments, par exemple les personnes hétérozygotes pour le gène de la maladie de Wilson, peuvent être exposés à un excès de cuivre (voir B dans la figure 1). Ce groupe pourrait représenter jusqu’à 1 % de la population générale, compte tenu de la prévalence de la maladie de Wilson dans différentes régions géographiques. Pour l’instant, on ne sait pas si ces sujets ont une susceptibilité accrue à accumuler du cuivre sous des expositions considérées comme sûres pour la population générale.

Les données de sécurité à long terme des populations normales sont limitées, et les études prospectives contrôlant l’exposition dans le temps sont extrêmement difficiles à mener. Des études contrôlées sur 3-6 mo ont été menées pour évaluer les réponses à une exposition à 8-10 mg Cu/d (22, 23). Les niveaux supérieurs actuels pour le cuivre sont de 8-10 mg/j ; ceci constitue la limite de ce qui peut être éthiquement évalué chez les humains normaux. Ainsi, il ne sera peut-être pas possible de démontrer l’existence d’une maladie classique, à moins que des facteurs génétiques ne conditionnent une susceptibilité accrue. Des marqueurs permettant d’évaluer les effets précoces de l’accumulation excessive de cuivre avant que des changements pathologiques ne se produisent pourraient permettre d’évaluer le risque sous une forme éthique et valide. Si un tel marqueur était disponible, une gestion efficace du risque ciblant les individus ou les groupes de population sensibles pourrait être mise en œuvre. Malheureusement, le problème n’est pas résolu par des marqueurs d’exposition ; il faut des biomarqueurs spécifiques de la charge hépatique en cuivre qui permettraient de prédire un stockage à des niveaux compatibles avec une cirrhose du foie. Même les marqueurs de la maladie subclinique seraient inadéquats, car une fois que le processus inflammatoire menant à la fibrose est déclenché, il pourrait être trop tard pour des actions préventives.

QUANTIFIER LE RISQUE DE SURCHARGE EN CUIVRE

À l’heure actuelle, le seul marqueur de la surcharge hépatique en cuivre est la mesure en série de la teneur en cuivre effectuée dans les biopsies du foie. La teneur normale en cuivre du foie varie de 15 à 55 μg/g de foie sec. Pratiquement tous les patients non traités atteints de la maladie de Wilson présentent des concentrations élevées de cuivre hépatique, allant de 250 à 3000 μg/g de foie sec. La constatation d’une concentration de cuivre hépatique normale exclut effectivement le diagnostic de maladie de Wilson non traitée. Cependant, une concentration élevée de cuivre hépatique ne suffit pas à établir un diagnostic de maladie de Wilson, car des concentrations >250 μg/g peuvent être trouvées dans d’autres troubles hépatiques chroniques, notamment la cirrhose biliaire primitive, la cholangite sclérosante primitive, l’obstruction ou l’atrésie biliaire extrahépatique, l’hépatite chronique active, la cholestase intrahépatique de l’enfance et la cirrhose indienne de l’enfance. Un autre marqueur pourrait être la concentration et le niveau de saturation de la céruloplasmine ; malheureusement, cet indicateur réagit à de faibles apports en cuivre mais n’augmente pas en présence d’un excès de cuivre. La concentration sérique normale de céruloplasmine est de 200 à 400 mg/L ; bien que les concentrations soient faibles chez les nouveau-nés humains, elles augmentent progressivement au cours des 2 premières années de vie, coïncidant avec la baisse postnatale de la concentration hépatique en cuivre. Les concentrations sont inférieures à la normale chez ≈90% de tous les patients atteints de la maladie de Wilson. Une difficulté peut survenir en ce qui concerne les 10 % de porteurs hétérozygotes du gène de la maladie de Wilson qui manifestent des concentrations sériques diminuées de céruloplasmine sans jamais développer de symptômes ou de signes cliniques de la maladie. Ces personnes, qui représentent ≈1:2000 personnes dans la population générale, peuvent présenter un dilemme diagnostique difficile si elles développent fortuitement une hépatite ou une cirrhose secondaire à d’autres étiologies, imitant ainsi les caractéristiques cliniques, biochimiques et histologiques de la maladie de Wilson.

Des études systématiques chez l’homme suggèrent que la consommation de boissons ou d’eau potable contenant du cuivre en excès de 5-6 mg/L entraîne des nausées, des vomissements et des diarrhées chez >5% des personnes exposées (24). C’est pourquoi la recommandation actuelle de l’Organisation mondiale de la santé pour l’eau potable a été fixée à 2 mg/l. Ce chiffre a été considéré comme sûr pour une exposition chronique de la population, car pour l’instant il n’y a pas de preuve du contraire, sauf pour les patients atteints de la maladie de Wilson (24). Cependant, un groupe d’experts de l’Académie nationale des sciences des États-Unis a demandé d’examiner si la limite américaine de 1,3 mg de Cu/L dans l’eau pouvait être portée à 2 mg/L en conservant le niveau existant, car seule la moitié des experts a accepté le changement proposé (25, 26). L’autre moitié était préoccupée par les effets chroniques potentiels sur la santé en raison de la fréquence incertaine de la susceptibilité génétique. Ils ont considéré que jusqu’à 1% de la population était hétérozygote pour le gène de la maladie de Wilson et que potentiellement un autre 1% pourrait avoir d’autres gènes de susceptibilité, d’où la nécessité de définir l’effet à long terme de ce niveau d’exposition chez les individus génétiquement sensibles.

Même si nous avions le marqueur parfait pour la maladie de Wilson, avec un pouvoir prédictif de 100%, il faudrait un échantillon de grande taille pour démontrer la présence ou l’absence de risque avec une puissance suffisante pour guider une action préventive au niveau de la population. Le tableau 1 présente le risque spécifique pour divers paramètres cliniques et subcliniques potentiels et le risque global pour la population de tout effet mesurable, compte tenu de différents niveaux d’exposition de la population, sur la base du modèle présenté à la figure 1. Les paramètres sont basés sur les fréquences connues des défauts génétiques qui définissent une susceptibilité accrue à des niveaux d’exposition plus faibles. Il est évident qu’aux expositions habituelles, il serait extrêmement rare de trouver des signes cliniques ou même des signes subcliniques ; ainsi, la seule mesure sensible de l’excès de cuivre serait des indices qui prédisent la charge hépatique en cuivre. Par exemple, si la prévalence des individus hétérozygotes est de 1 % et que tous ceux qui sont porteurs d’un gène anormal présentent une accumulation excessive de cuivre dans leur foie, à condition que nous disposions du biomarqueur parfait, il nous faudrait >3000 sujets pour démontrer avec une puissance de 90 % et une signification de 0,05 un risque relatif de 2:1 d’accumulation d’un excès de cuivre par rapport à la normale. Si le risque relatif était de 10:1, nous aurions besoin d’un peu moins de sujets (27). Cependant, si nous choisissons la cirrhose du foie comme résultat pertinent, nous aurions besoin de 100 000 à 500 000 sujets pour démontrer un risque relatif de 10:1 avec une puissance de 90 % et une signification de <0,05. Ce grand nombre est nécessaire parce que la cirrhose serait encore assez rare, peut-être tout au plus 1 pour 10 000, étant donné que l’état homozygote ne se manifeste cliniquement qu’en moyenne 1 sur 30 000. Ces chiffres seraient encore plus élevés si seule une fraction de la population est exposée au niveau de cuivre donné (27).