Estimating risk from copper excess in human populations

ABSTRACT

A tápanyagokra vonatkozó kockázatbecslés egyetlen populációt feltételez, a szükséglet és a felesleg mutatóinak normális eloszlásával. A toxikus szintek definíció szerint a felső határérték feletti bevitelt jelentik; a réz esetében azonban, mivel nincsenek noninvazív, érzékeny biomarkereink a raktározás vagy a túlsúlyból eredő korai károsodásra, a túlsúly a klinikai betegségek, például a megmagyarázhatatlan májcirrózis ritkán előforduló előfordulására épül. Megvizsgáljuk ennek a megközelítésnek a korlátait a réz esetében, tekintettel a klinikai és szubklinikai betegségek nagyon alacsony előfordulási gyakoriságára, és azt javasoljuk, hogy a rézfelesleg populációs kockázatát a máj rézterhelésén, mint potenciálisan számszerűsíthető mérésen alapuljon. Az előttünk álló kihívás olyan biomarkerek kifejlesztése, amelyek előre jelzik az emelkedett hepatikus rézkészletek populációs kockázatát és ezáltal a betegség lehetőségét egy populációban.

BEVEZETÉS

A tápanyaghiány és -többlet hagyományos kockázatértékelése egyetlen populációt feltételez, amelynek igényei normális eloszlást követnek; ennek alapján egy átlagos igényt és a csoport egy meghatározott (97,5) százalékát fedező ajánlott bevitelt határoznak meg. A felső szint a biztonságosnak tekintett tartomány felső határát határozza meg. A toxikus szintek definíció szerint a felső szint feletti beviteleket jelentik. Megvizsgáljuk e megközelítés alkalmazásának korlátait a rézre, tekintettel az ismert és potenciálisan fogékony populációkra, és javaslatot teszünk egy lehetséges módszerre a rézfeleslegből eredő populációs kockázat számszerűsítésére a rendelkezésre álló adatok alapján.

A réz táplálkozási jelentőségének bizonyítása az emberben a réz jelenléte a szervezetben, az étrendből való eltávolítása esetén fellépő káros hatások kimutatása, és végül a helyreállítás jótékony hatása alapján történik. A felnőttek teljes testének réztartalma ≈80 mg (tartomány: 50-120 mg), a legmagasabb koncentráció a májban és az agyban található (5,1 és 6,3 μg/g nedves tömeg; 1, 2). A májréz a fő raktározási formát képviseli, míg az agy bazális ganglionjainak magas tartalma a réznek a neurotranszmitter-anyagcserében betöltött szerepével magyarázható. Az ásványi anyagok hozzáadása nélkül intravénás táplálásban részesülő betegeknél a rézmegvonás után néhány héten belül vérszegénység és neutropenia alakul ki, amely a réz biztosításával visszafordítható (2). A rézszükségletet és annak alapjait, valamint a hiány és a túltermelés lehetőségét e melléklet más cikkei mutatják be.

Az emberek úgy tudnak alkalmazkodni a táplálékból, vízből vagy étrend-kiegészítőkből származó túlzott rézterheléshez, hogy az expozíció növekedésével csökken a felszívódó frakció (3, 4). Egyes fémek és egyéb étrendi összetevők zavarják a réz felszívódását, míg a fehérje és a hisztidin fokozza a felvételt. Amint arra e kiegészítésnek a bélrendszeri rézanyagcseréről szóló részében rámutattunk, a bél nemcsak a szabályozott rézfelvételért felelős, hanem raktározási helyként is szolgál, így megakadályozza, hogy a felesleges réz a portális vérbe kerüljön. Normál körülmények között a réz a portális vénán keresztül fehérjékkel komplex módon jut el a májba. A réz az enterocitában főként metallotioneinhez kötődik. Ha bármilyen okból a metallotionein raktározási kötési kapacitását túllépik, a metallotionein denaturálódik, így elveszíti rézmegkötő képességét, és a sejtek elhalnak. Ez valójában egy további potenciális védőmechanizmus a bélben, amely a rézfelesleggel szembeni első védelmi vonalat jelenti (4, 5).

A portális keringésből történő rézfelvétel a fenesztrált kapillárisokban történik; így a hepatociták és a Kupfer-sejtek ki vannak téve a réznek. Miután a réz specifikus transzportereken (CTR1, ATP7A) keresztül bejut a hepatocitába, specifikus chaperonok veszik fel, amelyek meghatározzák a fém végső rendeltetési helyét a funkcionális fehérjék szempontjából, amelyek közül a citokróm c oxidáz, a szuperoxid-dizmutáz és a ceruloplazmin a legfontosabbak. A felesleges réz a metallotioneinhez kötődik, míg a ferroxidáz aktivitáshoz szükséges réz a megfelelő apo-ceruloplazminnal a Golgiba kerül, hogy a szisztémás keringésen keresztül más szervekbe exportálódjon. A réz tehát a májból a szisztémás keringésbe túlnyomórészt ceruloplazminhoz vagy kis peptidekhez kötődve szekretálódik. A sejtszintű felvételt egyes szövetekben specifikus ceruloplazmin sejtfelszíni receptorok közvetítik. Ha a hepatocitákban rézfelesleg van, az ATP7B a Golgiból transzlokálódik a szállításért felelős vezikuláris transzportrendszerbe, és az epeúti csatornákba szekretálódik. A réz a canaliculiba glutationhoz kötődve is ürülhet, vagy a metallotioneinhez vagy a lizoszomális fehérjékhez kötődve a lizoszómákban tárolódik (6, 7). A réz pontos megoszlása ezekben az alternatív transzportrendszerekben nem ismert, de úgy tűnik, hogy a kiválasztás lizoszomális útja csak a máj rézfeleslegének jelenlétében indukálódik. Az epeúti kiválasztás a réz eliminációjának fő formája az emberben, és ez a kritikus megelőző tényező a magas expozícióra adott válaszként (7, 8). Ennek a rendszernek a működéséhez nemcsak a megfelelő rézzel kapcsolatos fehérjék és a Golgi-eredetű vezikuláris rendszer jelenlétére van szükség, hanem a csatornákba történő szekrécióhoz szükséges citoszkeletális szerkezeti fehérjékre is (7, 8). Ez a bonyolult, redundáns rendszer magyarázza a máj rézfeleslegének kiváltásának nehézségét; az enterocita szabályozó válaszok és a máj felvételi-tárolási és kiválasztási rendszere biológiai válaszainak tényleges adatokon alapuló matematikai modellezése azt sugallja, hogy az egészséges ember rézfelesleghez való alkalmazkodóképessége legalább a napi rézszükséglet tízszerese (5-9). A homeosztatikus adatok azt jelzik előre, hogy a máj raktárai megnőnek; azonban, ha a kiválasztási utak épek, az epés kiválasztás lineárisan növekszik az átlagos szükséglet 20-30-szorosáig terjedő expozícióval, káros hatások bizonyítása nélkül.

RÉZFELESÉG RÉZFELESÉGÉRT

A londoni neurológus, SAK Wilson >80 éve definiálta a májcirrózissal járó progresszív lencsedegeneráció családi szindrómáját. A Wilson-kór ma már autoszomális recesszív genetikai rendellenességként ismert, amelyet a réz epeúti kiválasztásának hibája jellemez; a réz felhalmozódik a májban és az agyban, ami e szervek szerkezetének és működésének megváltozását okozza (10). Jelentős előrelépés történt a klinikai, biokémiai, genetikai és szövettani jellemzők tisztázása, valamint a betegségben szenvedő betegek kezelése terén. A Wilson-kór génjének klónozása felgyorsította a betegség megértését; a genetikai szűrés széles körű alkalmazása azonban még nem megoldott. A Wilson-kór génje világszerte elterjedt, és a legtöbb fajban kimutatták. A jelenlegi prevalencia-becslés ≈1:30 000 élveszületés; a gén gyakorisága 0,3% és 0,7% között változik, ami ≈1:100 heterozigóta hordozói aránynak felel meg.

A krónikus réztoxicitásra további példák az indiai gyermekkori cirrózis és a tiroli gyermekkori cirrózis (11, 12); ezek az esetek a réz vagy rézötvözetből készült tartályokban tárolt vagy melegített állati tej miatti magas rézexpozícióval állnak összefüggésben. A cirrózissal összefüggésbe hozható bevitel általában 50-100-szorosa annak, amit egy szoptatott csecsemő kap; a genetikai hajlam hozzájárulhat az egyéni kockázat magyarázatához. A réz a környezeti toxinokkal szinergiában hathat. Ezek a szokatlan esetek vagy rendkívül magas rézexpozícióval (11, 12), vagy szokatlan táplálkozási gyakorlatokkal, például orvosi jóváhagyás nélküli étrend-kiegészítők szedésével járnak. A rézzel összefüggő csecsemőkori cirrózis rendkívül ritka állapot; az idiopátiás réztoxikózis becsült előfordulási gyakorisága a németországi prospektív adatok alapján 1:500 000-1:1 000 000 (13). Az indiai gyermekkori cirrózisra vonatkozó indiai adatok az állapot drámai csökkenéséről árulkodnak, ami a tej tárolására és melegítésére szolgáló rézedények elkerülésének köszönhető. A Pune körzetből származó, kórházi felvételeken alapuló újabb megfigyelések a prevalencia jelentős csökkenéséről tanúskodnak; 1974 óta nem diagnosztizáltak egyetlen esetet sem (11). Összefoglalva, az indiai gyermekkori cirrózis/idiopátiás réztoxikózis ismeretlen etiológiájú betegség. Az állapot legvalószínűbb magyarázata a rézanyagcsere genetikailag meghatározott hibájának és a magas rézbevitelnek a kombinációja. Az egyes tényezők relatív hozzájárulását még meg kell határozni; a kockázatkezelés ebben az esetben gyakorlati tanácsokat és a meglévő irányelvek terjesztését foglalja magában.

A réz hosszú távú toxicitását mérsékelten magas expozíció esetén kevésbé vizsgálták. Egy Massachusetts állam 7 városában végzett vizsgálat, amelyben 6 év alatti gyermekek összesen 64 124 gyermekévnyi expozícióját vizsgálták, és az ivóvíz rézkoncentrációja 8,4 és 8,8 mg/l között mozgott, nem mutatta ki a májbetegség miatti halálozások nagyobb gyakoriságát (14), mint azokban a városokban, ahol az ivóvíz rézkoncentrációja alacsony volt. A gyermekkori májbetegségek és az ivóvíz réztartalmának összefüggésének szisztematikus értékelése az Egyesült Királyságban nem mutatott összefüggést e változók között (15). A rézhiány és a toxicitás megelőzése érdekében elfogadható beviteli tartománynak az egészséges népesség védelmén kell alapulnia, és nem szabad elvárni, hogy kielégítse a követelményeket, vagy megelőzze a különleges fogékonyságú egyének túladagolását. A réz anyagcseréjének olyan betegségei vagy genetikai változásai, amelyek a túl- vagy hiányra való különleges érzékenységet határozzák meg, megérdemlik a közegészségügyi hatóságok figyelmét az adott ökológiai környezetben fennálló relevanciájuk alapján. Az elfogadható szájon át történő bevitel felső és alsó határértékeit a hiányhoz vagy túlsúlyhoz kapcsolódó egészségügyi kockázatok értékelésére szolgáló populáció-alapú modell alkalmazásával határozzák meg. Az alsó határértéknek elegendőnek kell lennie ahhoz, hogy a populációban a legtöbb egyén szükségleteit kielégítse. Hasonlóképpen, a felső határértéknek a legtöbb egyént meg kell védenie a toxicitás kockázatától. Ezt az esszenciális elemekre alkalmazható homeosztatikus kockázatértékelési modellt az Egészségügyi Világszervezet Nemzetközi Kémiai Biztonsági Programja javasolta az esszenciális elemek kockázatértékelésének alapjául (16).

RÉZ KÜLÖNBEVITELEZÉS

A réznek való lakossági kitettség elsősorban az ivóvízzel történik, és több tényezőtől függ: a víz összetételétől, a víz és a cső közötti stagnáló érintkezési időtől, a cső korától, a rézvezetékek beépítési eljárásaitól, a rézvezetékek használatától a vízellátó hálózatokban, valamint a lakosság ivási szokásaitól. A réz koncentrációja a víz szállítása és elosztása után a rézcsőben a víz kémiai összetételétől, főként a pH-értékétől és lúgosságától függ. Más összetételi változók, mint például az oldott szervetlen szén, szerves anyagok és egyéb vegyületek szintén szerepet játszanak a réz melléktermék-kibocsátásban (17, 18). Az 1. ábrán az élelmiszerekből és a vízből származó rézexpozíció kumulatív eloszlása (szaggatott vonalak) látható a fiziológiai szükségletek vagy a toxikus mennyiségek populációs eloszlásához viszonyítva, amelyet a harang alakú görbék képviselnek.

A rézfelesleg kockázata a látszólag egészséges emberi populációban viszonylag ritka expozíciós körülmények között feltételezhető. Ezek közé tartoznak a következők. 1) A magas rézbevitelnek kitett populációk, azaz a >5 mg Cu/L-t tartalmazó vizet fogyasztó alanyok, vagy azok az általános népességhez tartozó személyek, akik magas rézbevitellel rendelkeznek az élelmiszerekből vagy a magas réztartalmú táplálékkiegészítőkből, ki lehetnek téve a rézfelesleg kockázatának. Felnőtteknél a rézbevitel >90%-át az élelmiszerek adhatják, ha a víz réztartalma alacsony (<0,1 mg/L). Ha a víz réztartalma magasabb (1-2 mg/L), a teljes bevitel akár 50%-át is kiteheti. A rézzel dúsított mesterséges tápszert fogyasztó csecsemőknél a víz hozzájárulása <10% lehet, míg ha a tápszer nincs rézzel dúsítva, a víz hozzájárulhat a teljes rézbevitel >50%-ához, különösen, ha a víz réztartalma 1-2 mg/L (19). A kiegészítésként rezet szedő személyek helyzete eltérő; az irodalomban van egy esetleírás, amelyet O’Donohue és munkatársai (20) írtak le egy férfiról, aki miután 2 éven keresztül 30 mg/nap, majd a következő egy évben 60 mg/nap, azaz 600-900 μ g – kg-1 – d-1 becsült bevitelt szedett, súlyos májelégtelenség alakult ki, és a túléléshez májátültetésre volt szükség.

2) A tápszerrel táplált csecsemők, akik réz tartalmú por alakú tápszert és >2 mg/L tartalmú csapvizet fogyasztanak, szintén túlléphetik az Egészségügyi Világszervezet 150 μg – kg-1 – d-1 felső határértékét. Egy 100 egészséges csecsemőből álló csoporton végzett kontrollált vizsgálat azonban, amely 1 éven keresztül közel kétszer ennyit fogyasztott 2 mg Cu/L-t tartalmazó vízből, nem mutatott ki sem biokémiai, sem klinikai bizonyítékot egészségügyi problémákra (19). A Németországban végzett lakossági vizsgálatok szintén nem mutattak ki kapcsolatot a ≈0,8 mg/L koncentrációjú vízből származó réz expozíció és a máj rendellenességek klinikai vagy laboratóriumi bizonyítékai között (21).

3) Végül, azok a népességcsoportok, amelyek genetikai hibák vagy gén-tápanyag kölcsönhatások következtében nagyobb mértékben hajlamosak a rézfeleslegre, például a Wilson-kór génre heterozigóta személyek, ki lehetnek téve a rézfelesleg kockázatának (lásd az 1. ábra B részét). Ez a csoport az általános népesség akár 1%-át is képviselheti, figyelembe véve a Wilson-kór előfordulási gyakoriságát a különböző földrajzi régiókban. Egyelőre nem ismert, hogy ezek az alanyok fokozottan hajlamosak-e a réz felhalmozódására az általános lakosság számára biztonságosnak tekintett expozíció mellett.

A normál populációra vonatkozó hosszú távú biztonsági adatok korlátozottak, és az expozíciót idővel kontrolláló prospektív vizsgálatokat rendkívül nehéz elvégezni. Ellenőrzött, 3-6 hónapos vizsgálatokat végeztek, amelyekben 8-10 mg Cu/nap expozícióra adott válaszokat vizsgáltak (22, 23). A réz jelenlegi felső határértéke 8-10 mg/d; ez jelenti a normális embereken etikailag értékelhető határértéket. Így nem biztos, hogy kimutatható a klasszikus betegség, hacsak genetikai tényezők nem határozzák meg a fokozott fogékonyságot. A túlzott rézfelhalmozódás korai hatásainak értékelésére szolgáló markerek, mielőtt bármilyen kóros elváltozás bekövetkezne, lehetővé tehetik a kockázat etikus és érvényes formában történő értékelését. Ha egy ilyen marker rendelkezésre állna, hatékony kockázatkezelést lehetne végrehajtani a fogékony egyének vagy népességcsoportok számára. Sajnos a problémát nem oldják meg az expozíció markerei; a máj rézterhelésének specifikus biomarkereire van szükség, amelyek előre jelzik a májcirrózissal összeegyeztethető szinten történő tárolást. Még a szubklinikai betegség markerei is elégtelenek lennének, mert amint a fibrózishoz vezető gyulladásos folyamat beindul, már túl késő lehet a megelőző intézkedésekhez.

A RÉZ-túlterhelés kockázatának felmérése

A máj réz-túlterhelésének egyetlen markere jelenleg a májbiopsziákban végzett sorozatos réztartalom-mérés. A máj normális réztartalma 15 és 55 μg/g száraz máj között mozog. Gyakorlatilag minden kezeletlen Wilson-kóros betegnél emelkedett a máj rézkoncentrációja, 250 és 3000 μg/g száraz máj között. A normális májrézkoncentráció megállapítása hatékonyan kizárja a kezeletlen Wilson-kór diagnózisát. Az emelkedett májréz-koncentráció önmagában azonban nem elegendő a Wilson-kór diagnózisának felállításához, mivel a >250 μg/g koncentráció más krónikus májbetegségekben is megtalálható, beleértve a primer epeúti cirrhosis, a primer szklerotizáló cholangitis, az extrahepatikus epeúti obstrukció vagy atresia, a krónikus aktív hepatitis, a gyermekkori intrahepatikus cholestasis és az indiai gyermekkori cirrózis. Alternatív marker lehet a ceruloplazmin koncentrációja és telítettségi szintje; sajnos ez a mutató reagál az alacsony rézbevitelre, de nem emelkedik a rézfelesleg jelenlétében. A ceruloplazmin normális szérumkoncentrációja 200-400 mg/l; bár az emberi újszülötteknél a koncentráció alacsony, az élet első két évében fokozatosan emelkedik, ami egybeesik a máj rézkoncentrációjának születés utáni csökkenésével. A Wilson-kórban szenvedő betegek ≈90%-ánál a koncentráció a normál tartomány alatt van. Nehézségek merülhetnek fel a Wilson-kór génjét heterozigóta hordozók 10%-ával kapcsolatban, akiknél a ceruloplazmin szérumkoncentrációja csökkent, de soha nem jelentkeznek a betegség klinikai tünetei vagy jelei. Ezek az egyének, akik az általános populációban ≈1:2000 személyt képviselnek, nehéz diagnosztikai dilemmát jelenthetnek, ha véletlenül hepatitis vagy cirrózis alakul ki náluk más okok miatt, és ezáltal utánozzák a Wilson-kór klinikai, biokémiai és szövettani jellemzőit.

Az embereken végzett szisztematikus vizsgálatok szerint az 5-6 mg/L-t meghaladó réz tartalmú italok vagy ivóvíz fogyasztása az expozíciónak kitett személyek >5%-ánál hányingert, hányást és hasmenést okoz (24). Ezért az Egészségügyi Világszervezet jelenlegi irányelvét az ivóvízre vonatkozóan 2 mg/L-ben határozták meg. Ezt az értéket biztonságosnak tekintették a lakosság krónikus expozíciója esetén, mivel egyelőre nincs bizonyíték az ellenkezőjére, kivéve a Wilson-kórban szenvedő betegeket (24). Az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Akadémiájának szakértői csoportja azonban felkérte, hogy vizsgálják meg, hogy a vízben lévő 1,3 mg Cu/L-es amerikai határértéket 2 mg/L-re lehetne-e emelni, amely megtartotta a jelenlegi szintet, mert a szakértők csak fele fogadta el a javasolt változtatást (25, 26). A fennmaradó fele a genetikai fogékonyság bizonytalan gyakorisága miatt aggódott a lehetséges krónikus egészségügyi hatások miatt. Úgy vélték, hogy a lakosság legfeljebb 1%-a heterozigóta a Wilson-kór génre, és potenciálisan további 1%-nak lehetnek más fogékonysági génjei, ezért meg kell határozni az ilyen szintű expozíció hosszú távú hatását a genetikailag fogékony egyéneknél.

Még ha rendelkeznénk is a Wilson-kór tökéletes, 100%-os előrejelző képességű markerével, nagy mintanagyságra lenne szükség ahhoz, hogy a kockázat jelenlétét vagy hiányát kellő erővel lehessen bizonyítani ahhoz, hogy a lakossági szintű megelőző intézkedéseket irányítani lehessen. Az 1. táblázatban látható a különböző lehetséges klinikai és szubklinikai végpontokra vonatkozó specifikus kockázat, valamint az 1. ábrán bemutatott modell alapján a populáció különböző expozíciós szintjeit figyelembe véve bármely mérhető hatás teljes populációs kockázata. A végpontok a genetikai hibák ismert gyakoriságán alapulnak, amelyek alacsonyabb expozíciós szinteknél fokozott fogékonyságot határoznak meg. Nyilvánvaló, hogy a szokásos expozíciók mellett rendkívül ritka lenne klinikai tüneteket vagy akár szubklinikai tüneteket találni; így a rézfelesleg egyetlen érzékeny mérőszáma a máj rézterhelését előrejelző indexek lennének. Például, ha a heterozigóta egyének prevalenciája 1%, és az egyik abnormális gént hordozók mindegyike túlzott rézfelhalmozódást mutat a májában, akkor a tökéletes biomarker megléte esetén >3000 alanyra lenne szükségünk ahhoz, hogy 90%-os teljesítmény és 0,05 szignifikancia mellett kimutassuk a rézfelhalmozódás 2:1 arányú relatív kockázatát a normálishoz képest. Ha a relatív kockázat 10:1 lenne, valamivel kevesebb alanyra lenne szükségünk (27). Ha azonban a májcirrózist választanánk releváns kimenetelként, akkor 100 000 és 500 000 fő között lenne szükségünk ahhoz, hogy 90%-os teljesítmény és <0,05 szignifikancia mellett 10:1 relatív kockázatot tudjunk kimutatni. Erre a nagy számra azért van szükség, mert a cirrózis még mindig meglehetősen ritka lenne, talán legfeljebb 10 000-ből 1, figyelembe véve, hogy a homozigóta állapot klinikailag átlagosan csak 30 000-ből 1 esetben jelentkezik. Ezek a számok még nagyobbak lennének, ha a lakosságnak csak egy töredéke van kitéve az adott rézszintnek (27).

KÖVETKEZTETÉSEK

A rézfelesleggel összefüggő klinikai és szubklinikai betegségek előfordulási gyakorisága rendkívül alacsony, ezért a kockázat meghatározásához szükséges expozíciós személyek száma nagyon magas (≈500 000). A rézfelesleg populációs kockázatát a hepatikus rézterhelés mint potenciálisan mérhető kimenetel alapján kell értékelni, mivel ez potenciálisan gyakoribb. A kihívás az, hogy olyan biomarkereket dolgozzunk ki a túlterhelésre, amelyek előre jelzik a populációs kockázatot a >250 μg/g májszáraztömegű májréz megtalálására egy adott rézexpozíciós szint mellett.

A szerzők hozzájárulása a következő volt: RU és MA áttekintette a témát, koncepcionálta a problémát, és közösen írták a cikket; AM és RU meghatározta a megközelítést, a feltevéseket és a réz túlterhelés populációs kockázatának becslése során követett számításokat.

A szerzőknek nem volt közvetlen összeférhetetlensége. Részleges támogatást kaptak az International Copper Association-től.

FOOTNOTES