Stima del rischio da eccesso di rame nelle popolazioni umane

ABSTRACT

La valutazione del rischio per i nutrienti presuppone una singola popolazione con una distribuzione normale degli indici di requisiti ed eccesso. Livelli tossici sono per definizione assunzione sopra il livello superiore; per il rame, tuttavia, perché ci manca non invasivo, sensibile biomarcatori di stoccaggio o danni precoci da eccesso, eccesso è basato sul verificarsi infrequente di malattia clinica, come la cirrosi epatica inspiegabile. Esaminiamo i limiti di questo approccio per il rame data la prevalenza molto bassa della malattia clinica e subclinica e suggeriamo che il rischio della popolazione per l’eccesso di rame sia basato sul carico epatico di rame come misura potenzialmente quantificabile. La sfida futura è quella di sviluppare biomarcatori che prevedano il rischio per la popolazione di elevate riserve epatiche di rame e quindi la possibilità di malattia in una popolazione.

INTRODUZIONE

La valutazione tradizionale del rischio di deficit ed eccesso di nutrienti presuppone una singola popolazione con requisiti che seguono una distribuzione normale; sulla base di ciò, vengono stabiliti un requisito medio e un’assunzione raccomandata per coprire una percentuale fissa (97,5) del gruppo. Un livello superiore definisce l’estremità superiore dell’intervallo considerato sicuro. I livelli tossici sono per definizione assunzioni superiori al livello superiore. Esaminiamo i limiti dell’applicazione di questo approccio al rame date le popolazioni conosciute e potenzialmente suscettibili e proponiamo un metodo potenziale per quantificare il rischio della popolazione dall’eccesso di rame sulla base dei dati disponibili.

La prova dell’essenzialità nutrizionale del rame negli esseri umani è stabilita sulla base della presenza di rame nel corpo, la dimostrazione degli effetti avversi se viene rimosso dalla dieta, e infine l’effetto benefico del suo ripristino. Il contenuto di rame nel corpo intero negli adulti è di ≈80 mg (range: 50-120 mg), con le concentrazioni più alte trovate nel fegato e nel cervello (5,1 e 6,3 μg/g di peso umido, rispettivamente; 1, 2). Il rame del fegato rappresenta la principale forma di stoccaggio, mentre l’alto contenuto nei gangli della base del cervello è spiegato dal ruolo del rame nel metabolismo dei neurotrasmettitori. I pazienti che ricevono una nutrizione endovenosa senza l’aggiunta di minerali sviluppano una carenza, mostrando anemia e neutropenia entro poche settimane di privazione di rame, che sono invertite fornendo rame (2). I requisiti di rame e la loro base e il potenziale di carenza ed eccesso sono presentati in altri articoli di questo supplemento.

L’uomo può adattarsi all’eccessiva esposizione al rame da cibo, acqua o integratori diminuendo la frazione assorbita con l’aumentare dell’esposizione (3, 4). Alcuni metalli e altri componenti della dieta interferiscono con l’assorbimento del rame, mentre le proteine e l’istidina migliorano l’assorbimento. Come sottolineato nella sezione di questo supplemento sul metabolismo intestinale del rame, l’intestino non è solo responsabile dell’assorbimento regolato del rame, ma serve anche come luogo di stoccaggio, evitando così che il rame in eccesso entri nel sangue portale. In condizioni normali, il trasferimento del rame al fegato è complessato con le proteine attraverso la vena porta. Il rame nell’enterocita è principalmente legato alla metallotioneina. Se per qualsiasi motivo la capacità di legame della metallotioneina viene superata, la metallotioneina viene denaturata, perdendo così la sua capacità di legare il rame, e ne consegue la morte cellulare. Questo infatti è un ulteriore potenziale meccanismo protettivo nell’intestino che rappresenta una prima linea di difesa contro l’eccesso di rame (4, 5).

L’assorbimento del rame dalla circolazione portale avviene nei capillari fenestrati; così, gli epatociti e le cellule Kupfer sono esposti al rame. Una volta che il rame entra nell’epatocita attraverso trasportatori specifici (CTR1, ATP7A), viene assunto da chaperon specifici che definiscono la destinazione finale del metallo in termini di proteine funzionali, di cui la citocromo c ossidasi, la superossido dismutasi e la ceruloplasmina sono le più importanti. Il rame in eccesso è legato alla metallotioneina, mentre il rame necessario per l’attività ferroxidasi viene trasferito al Golgi con la corrispondente apo-ceruloplasmina per l’esportazione in altri organi attraverso la circolazione sistemica. Il rame viene quindi secreto dal fegato nella circolazione sistemica prevalentemente legato alla ceruloplasmina o legato a piccoli peptidi. L’assorbimento cellulare in alcuni tessuti è mediato da specifici recettori della superficie cellulare della ceruloplasmina. Se c’è un eccesso di rame negli epatociti, ATP7B trasloca dal Golgi ad un sistema di trasporto vescicolare responsabile del trasporto e viene secreto nei canalicoli biliari. Il rame può anche essere escreto nei canalicoli legato al glutatione o immagazzinato nei lisosomi legato alla metallotioneina o alle proteine lisosomiali (6, 7). L’esatta distribuzione del rame in questi sistemi di trasporto alternativi non è nota, ma apparentemente la via lisosomiale per l’escrezione è indotta solo in presenza di rame epatico in eccesso. L’escrezione biliare è la principale forma di eliminazione del rame nell’uomo ed è il fattore critico preventivo in risposta a un’esposizione elevata (7, 8). Il funzionamento di questo sistema richiede non solo la presenza delle rispettive proteine legate al rame e del sistema vescicolare derivato dal Golgi, ma anche le proteine strutturali citoscheletriche necessarie alla secrezione nei canalicoli (7, 8). Questo sistema intricato e ridondante spiega la difficoltà di indurre un eccesso di rame nel fegato; la modellazione matematica delle risposte biologiche delle risposte di regolazione degli enterociti e del sistema di assorbimento-stoccaggio ed escrezione del fegato, basata su dati reali, suggerisce che la capacità di adattamento dell’uomo sano per l’eccesso di rame è almeno 10 volte il fabbisogno giornaliero di rame (5-9). I dati omeostatici prevedono che le riserve epatiche aumenteranno; tuttavia, se le vie escretrici sono intatte, l’escrezione biliare aumenterà linearmente con esposizioni fino a 20-30 volte il fabbisogno medio senza evidenza di effetti avversi.

Rischio di eccesso di rame

Sono passati >80 anni da quando il neurologo londinese SAK Wilson definì una sindrome familiare di degenerazione lenticolare progressiva associata a cirrosi epatica. La malattia di Wilson è ora riconosciuta come una malattia genetica autosomica recessiva caratterizzata da un difetto nell’escrezione biliare del rame; il rame si accumula nel fegato e nel cervello causando un’alterazione della struttura e della funzione di questi organi (10). Notevoli progressi sono stati raggiunti nel chiarire le caratteristiche cliniche, biochimiche, genetiche e istologiche, nonché la gestione dei pazienti con questa malattia. La clonazione del gene della malattia di Wilson ha accelerato la nostra comprensione della malattia; tuttavia, l’applicazione su larga scala dello screening genetico deve ancora essere risolta. Il gene della malattia di Wilson è distribuito in tutto il mondo ed è stato dimostrato nella maggior parte delle razze. La stima attuale della prevalenza è di ≈1:30 000 nati vivi; la frequenza del gene varia tra lo 0,3% e lo 0,7% corrispondente a un tasso di portatori eterozigoti di ≈1:100.

Altri esempi di tossicità cronica da rame includono la cirrosi infantile indiana e la cirrosi infantile tirolese (11, 12); questi casi sono legati all’alta esposizione al rame dovuta al latte animale conservato o riscaldato in contenitori di rame o lega di rame. Le assunzioni associate alla cirrosi sono comunemente 50-100 volte quelle che riceve un neonato allattato al seno; la suscettibilità genetica può contribuire a spiegare il rischio individuale. Il rame può agire in sinergia con le tossine ambientali. Questi eventi insoliti coinvolgono sia l’esposizione estremamente elevata al rame (11, 12) o pratiche dietetiche non convenzionali, come l’assunzione di integratori senza approvazione medica. La cirrosi infantile associata al rame è una condizione estremamente rara; per la tossicosi idiopatica da rame l’incidenza stimata sulla base di dati prospettici dalla Germania è 1:500 000 a 1:1 000 000 (13). I dati per la cirrosi infantile indiana dall’India rivelano un drammatico declino di questa condizione derivante dall’evitamento dei recipienti di rame per la conservazione e il riscaldamento del latte. Osservazioni più recenti dal distretto di Pune, basate sui ricoveri ospedalieri, rivelano importanti cali nella prevalenza; nessun caso è stato diagnosticato dal 1974 (11). In conclusione, la cirrosi infantile indiana/tossicosi idiopatica da rame è una malattia dall’eziologia sconosciuta. La spiegazione più probabile per questa condizione sembra essere una combinazione di un difetto geneticamente determinato nel metabolismo del rame e un elevato apporto di rame. Il contributo relativo di ogni fattore rimane da determinare; la gestione del rischio in questo caso include consigli pratici e la diffusione delle linee guida esistenti.

La tossicità a lungo termine del rame a esposizioni moderatamente alte è stata meno studiata. Uno studio condotto in 7 città del Massachusetts con un totale di 64 124 anni-bambino di esposizione di bambini di età inferiore ai 6 anni, con concentrazioni di rame nell’acqua potabile che vanno da 8,4 a 8,8 mg/L, non ha mostrato una maggiore prevalenza di decessi dovuti a malattie epatiche (14) rispetto alle città con bassa presenza di rame nell’acqua potabile. Una valutazione sistematica dell’associazione tra le malattie epatiche infantili e il contenuto di rame nell’acqua potabile nel Regno Unito non ha mostrato alcuna associazione tra queste variabili (15). La gamma di assunzione accettabile per prevenire la carenza e la tossicità del rame dovrebbe essere basata sulla protezione delle popolazioni sane e non ci si dovrebbe aspettare che soddisfi i requisiti o prevenga l’eccesso di individui con particolare suscettibilità. Condizioni di malattia o alterazioni genetiche nel metabolismo del rame che determinano una particolare sensibilità all’eccesso o al deficit meritano l’attenzione delle autorità sanitarie pubbliche sulla base della rilevanza di queste condizioni in un dato contesto ecologico. I cutoff superiori e inferiori per la gamma di assunzioni orali accettabili sono definiti utilizzando un modello basato sulla popolazione per la valutazione dei rischi per la salute associati alla carenza o all’eccesso. Il cutoff inferiore dovrebbe essere sufficiente a soddisfare le esigenze della maggior parte degli individui della popolazione. Allo stesso modo, il limite superiore dovrebbe proteggere la maggior parte degli individui dal rischio di tossicità. Questo modello omeostatico di valutazione del rischio applicabile agli elementi essenziali è stato proposto dal Programma Internazionale per la Sicurezza Chimica dell’Organizzazione Mondiale della Sanità come base per la valutazione del rischio degli elementi essenziali (16).

ESPOSIZIONE ALL’ECCESSO DI RAME

L’esposizione della popolazione al rame avviene principalmente attraverso l’acqua potabile e dipende da diversi fattori: la composizione dell’acqua, il tempo di contatto stagnante tra acqua e tubo, l’età del tubo, le procedure di installazione dei tubi di rame, l’uso di tubi di rame nelle reti di distribuzione idrica, e le abitudini di consumo della popolazione. La concentrazione di rame dopo il trasporto e la distribuzione dell’acqua in un tubo di rame dipende dalla composizione chimica dell’acqua, principalmente il suo pH e l’alcalinità. Anche altre variabili di composizione come il carbonio inorganico disciolto, le sostanze organiche e altri composti giocano un ruolo nel rilascio dei sottoprodotti del rame (17, 18). Illustrata nella Figura 1 è la distribuzione cumulativa dell’esposizione al rame dal cibo e dall’acqua (linee tratteggiate) rispetto alle distribuzioni della popolazione dei bisogni fisiologici o delle quantità tossiche rappresentate dalle curve a campana.

Il rischio di eccesso di rame in popolazioni umane apparentemente sane può essere ipotizzato in condizioni di esposizione relativamente rare. Queste includono le seguenti. 1) Le popolazioni esposte a un’elevata assunzione di rame, cioè i soggetti che consumano acqua contenente >5 mg Cu/L o quelli nella popolazione generale con un’elevata assunzione di rame dal cibo o da integratori alimentari ad alto contenuto di rame, possono essere a rischio di eccesso di rame. Il cibo può rappresentare >90% dell’assunzione di rame negli adulti se l’acqua ha un basso contenuto di rame (<0,1 mg/L). Se il contenuto di rame dell’acqua è più alto (1-2 mg/L), può rappresentare fino al 50% dell’assunzione totale. Nei neonati che consumano latte artificiale addizionato di rame, il contributo dell’acqua può essere <10%, mentre se il latte non è addizionato di rame, l’acqua può contribuire >50% dell’assunzione totale di rame, soprattutto quando il contenuto di rame dell’acqua è 1-2 mg/L (19). La situazione delle persone che assumono rame come integratore è diversa; c’è un caso in letteratura descritto da O’Donohue et al (20) di un uomo che dopo aver assunto un integratore di 30 mg/d per 2 anni e poi 60 mg/d per l’anno successivo, un’assunzione stimata di 600-900 μ g – kg-1 – d-1, ha sviluppato una grave insufficienza epatica e ha richiesto un trapianto di fegato per sopravvivere.

2) I bambini allattati con latte artificiale che consumano latte in polvere contenente rame e acqua di rubinetto contenente >2 mg/L possono anche superare il limite superiore dell’Organizzazione mondiale della sanità di 150 μg – kg-1 – d-1. Tuttavia, uno studio controllato in un gruppo di 100 neonati sani che consumano quasi il doppio di quella quantità per 1 anno da acqua con 2 mg Cu/L non ha presentato alcuna evidenza biochimica o clinica di problemi di salute (19). Anche studi basati sulla popolazione in Germania non sono riusciti a dimostrare un legame tra l’esposizione al rame da acqua con concentrazioni di ≈0.8 mg/L e l’evidenza clinica o di laboratorio di anomalie epatiche (21).

3) Infine, i gruppi di popolazione che possono avere una maggiore suscettibilità all’eccesso di rame come risultato di difetti genetici o interazioni gene-nutrienti, per esempio, le persone eterozigoti per il gene della malattia di Wilson, possono essere a rischio di eccesso di rame (vedi B nella Figura 1). Questo gruppo può rappresentare fino a 1% della popolazione generale considerando la prevalenza della malattia di Wilson in diverse regioni geografiche. Per ora, rimane sconosciuto se questi soggetti hanno una maggiore suscettibilità ad accumulare rame sotto esposizioni considerate sicure per la popolazione generale.

I dati di sicurezza a lungo termine delle popolazioni normali sono limitati, e studi prospettici che controllano l’esposizione nel tempo sono estremamente difficili da condurre. Studi controllati su 3-6 mesi sono stati condotti valutando le risposte all’esposizione a 8-10 mg Cu/d (22, 23). Gli attuali livelli massimi di rame sono 8-10 mg/d; questo costituisce il limite di ciò che può essere eticamente valutato negli esseri umani normali. Quindi, potrebbe non essere possibile dimostrare l’evidenza della malattia classica, a meno che i fattori genetici non condizionino una maggiore suscettibilità. Marcatori per valutare gli effetti precoci dell’accumulo di rame in eccesso prima che si verifichi qualsiasi cambiamento patologico potrebbe consentire di valutare il rischio in una forma etica e valida. Se un tale marcatore fosse disponibile, potrebbe essere implementata una gestione efficace del rischio rivolta agli individui suscettibili o ai gruppi di popolazione. Sfortunatamente, il problema non è risolto da marcatori di esposizione; la necessità è di biomarcatori specifici del carico di rame del fegato che prevedano l’accumulo a livelli compatibili con la cirrosi epatica. Anche i marcatori della malattia subclinica sarebbero inadeguati, perché una volta che il processo infiammatorio che porta alla fibrosi è innescato, potrebbe essere troppo tardi per azioni preventive.

QUANTIFICAZIONE DEL RISCHIO DI ECCESSO DI RAME

Attualmente, l’unico marcatore di sovraccarico di rame epatico è la misurazione seriale del contenuto di rame eseguita nelle biopsie epatiche. Il contenuto normale di rame nel fegato varia da 15 a 55 μg/g di fegato secco. Praticamente tutti i pazienti non trattati con la malattia di Wilson hanno elevate concentrazioni di rame epatico, che vanno da 250 a 3000 μg/g di fegato secco. Il riscontro di una normale concentrazione epatica di rame esclude efficacemente la diagnosi di malattia di Wilson non trattata. Tuttavia, un’elevata concentrazione epatica di rame da sola non è sufficiente a stabilire una diagnosi di malattia di Wilson, perché concentrazioni >250 μg/g possono essere trovate in altri disturbi epatici cronici, tra cui la cirrosi biliare primaria, la colangite sclerosante primaria, l’ostruzione o atresia biliare extraepatica, l’epatite cronica attiva, la colestasi intraepatica dell’infanzia e la cirrosi infantile indiana. Un marcatore alternativo potrebbe essere la concentrazione e il livello di saturazione della ceruloplasmina; purtroppo, questo indicatore è sensibile a bassi apporti di rame, ma non riesce ad aumentare in presenza di rame in eccesso. La concentrazione sierica normale di ceruloplasmina è da 200 a 400 mg/L; sebbene le concentrazioni siano basse nei neonati umani, aumentano gradualmente durante i primi 2 anni di vita, in coincidenza con il declino postnatale della concentrazione epatica di rame. Le concentrazioni sono al di sotto del range di normalità nel ≈90% di tutti i pazienti con malattia di Wilson. La difficoltà può sorgere per quanto riguarda il 10% dei portatori eterozigoti del gene per la malattia di Wilson che manifestano una diminuzione delle concentrazioni sieriche di ceruloplasmina ma non sviluppano mai sintomi clinici o segni della malattia. Questi individui, che rappresentano ≈1:2000 persone nella popolazione generale, possono presentare un difficile dilemma diagnostico se fortuitamente sviluppano epatite o cirrosi secondaria ad altre eziologie, imitando così le caratteristiche cliniche, biochimiche e istologiche della malattia di Wilson.

Studi sistematici nell’uomo suggeriscono che il consumo di bevande o acqua potabile con rame in eccesso di 5-6 mg/L provoca nausea, vomito e diarrea nel >5% degli esposti (24). Così, l’attuale linea guida dell’Organizzazione Mondiale della Sanità per l’acqua potabile è stata fissata a 2 mg/L. Questa cifra è stata considerata sicura per l’esposizione cronica della popolazione, perché per ora non ci sono prove del contrario, tranne che per i pazienti con la malattia di Wilson (24). Tuttavia, un gruppo di esperti della National Academy of Science degli Stati Uniti ha chiesto di esaminare se il limite statunitense di 1,3 mg Cu/L nell’acqua potesse essere portato a 2 mg/L mantenuto il livello attuale, perché solo la metà degli esperti ha accettato il cambiamento proposto (25, 26). La metà rimanente era preoccupata per i potenziali effetti cronici sulla salute dovuti alla frequenza incerta della suscettibilità genetica. Hanno considerato che fino all’1% della popolazione era eterozigote per il gene della malattia di Wilson e potenzialmente un altro 1% potrebbe avere altri geni di suscettibilità, quindi la necessità di definire l’effetto a lungo termine di questo livello di esposizione in individui geneticamente suscettibili.

Anche se avessimo il marcatore perfetto per la malattia di Wilson, con un potere predittivo del 100%, sarebbe necessaria una grande dimensione del campione per dimostrare la presenza o l’assenza di rischio con sufficiente potenza per guidare l’azione preventiva a livello di popolazione. La tabella 1 mostra il rischio specifico per vari potenziali endpoint clinici e subclinici e il rischio complessivo della popolazione di qualsiasi effetto misurabile considerando diversi livelli di esposizione della popolazione sulla base del modello presentato nella figura 1. Gli endpoint sono basati sulle frequenze note di difetti genetici che definiscono una maggiore suscettibilità a livelli di esposizione più bassi. È evidente che alle esposizioni abituali sarebbe estremamente raro trovare segni clinici o persino segni subclinici; quindi, l’unica misura sensibile per l’eccesso di rame sarebbe costituita da indici che prevedono il carico di rame nel fegato. Per esempio, se la prevalenza di individui eterozigoti è dell’1%, e tutti quelli che portano un gene anormale hanno un eccessivo accumulo di rame nel loro fegato, se avessimo il biomarcatore perfetto avremmo bisogno di >3000 soggetti per dimostrare con una potenza del 90% e una significatività dello 0,05 un rischio relativo di 2:1 di accumulare rame in eccesso rispetto al normale. Se il rischio relativo fosse 10:1, avremmo bisogno di un po’ meno soggetti (27). Tuttavia, se abbiamo selezionato la cirrosi epatica come risultato rilevante, avremmo bisogno tra 100 000 e 500 000 soggetti per dimostrare un rischio relativo di 10:1 con una potenza del 90% e una significatività di <0,05. Questo grande numero è necessario perché la cirrosi sarebbe ancora abbastanza rara, forse al massimo 1 su 10 000, considerando che lo stato omozigote si manifesta clinicamente in media solo 1 su 30 000. Questi numeri sarebbero ancora maggiori se solo una frazione della popolazione è esposta al dato livello di rame (27).

CONCLUSIONI

La prevalenza della malattia clinica e subclinica legata all’eccesso di rame è estremamente bassa; quindi, il numero di soggetti esposti necessario per definire il rischio è molto alto (≈500.000). Il rischio della popolazione per l’eccesso di rame dovrebbe essere valutato sulla base del carico epatico di rame come risultato potenzialmente misurabile, perché questo è potenzialmente più frequente. La sfida è quella di sviluppare biomarcatori per l’eccesso che prevedano il rischio per la popolazione di trovare un contenuto di rame epatico di >250 μg/g di peso secco del fegato ad un dato livello di esposizione al rame.

I contributi degli autori sono stati i seguenti: RU e MA hanno rivisto l’argomento, concettualizzato il problema e scritto l’articolo insieme; AM e RU hanno definito l’approccio, i presupposti e i calcoli seguiti nella stima del rischio per la popolazione dell’eccesso di rame.

Gli autori non avevano conflitti di interesse diretti. Il sostegno parziale è stato ricevuto dalla International Copper Association.

FOOTNOTES