Estimating risk from copper excess in human populations

ABSTRACT

Risicobepaling voor voedingsstoffen gaat uit van een enkele populatie met een normale verdeling van indexen van behoefte en overschot. Toxische niveaus zijn per definitie innames boven de bovengrens; voor koper echter, omdat we geen niet-invasieve, gevoelige biomarkers hebben voor opslag of vroege schade door overmaat, is overmaat gebaseerd op het niet vaak voorkomen van klinische ziekte, zoals onverklaarbare levercirrose. Wij onderzoeken de beperkingen van deze benadering voor koper, gezien de zeer lage prevalentie van klinische en subklinische ziekte, en stellen voor het bevolkingsrisico voor koperoverschotten te baseren op de hepatische koperbelasting als een potentieel kwantificeerbare meting. De uitdaging voor de toekomst is het ontwikkelen van biomarkers die het bevolkingsrisico van verhoogde leverkoperopslag en daarmee de kans op ziekte in een populatie voorspellen.

INLEIDING

Traditionele risicobeoordeling van nutriëntendeficiëntie en -overschotten gaat uit van één populatie met behoeften die een normale verdeling volgen; op basis hiervan worden een gemiddelde behoefte en een aanbevolen inname vastgesteld om een vast (97,5) percentage van de groep te bestrijken. Een bovengrens definieert de bovengrens van het bereik dat als veilig wordt beschouwd. Toxische niveaus zijn per definitie innames boven het bovenste niveau. Wij onderzoeken de beperkingen van de toepassing van deze benadering op koper, gezien de bekende en mogelijk vatbare bevolkingsgroepen, en stellen een potentiële methode voor om het bevolkingsrisico van koperoverschotten te kwantificeren op basis van de beschikbare gegevens.

Het bewijs van de voedingsessentie van koper bij de mens wordt geleverd op basis van de aanwezigheid van koper in het lichaam, het aantonen van nadelige effecten als het uit de voeding wordt verwijderd, en ten slotte het gunstige effect van het herstel ervan. Het kopergehalte in het gehele lichaam van volwassenen bedraagt ≈80 mg (bereik: 50-120 mg), waarbij de hoogste concentraties worden aangetroffen in de lever en de hersenen (respectievelijk 5,1 en 6,3 μg/g nat gewicht; 1, 2). Koper in de lever is de belangrijkste vorm van opslag, terwijl het hoge gehalte in de basale ganglia van de hersenen wordt verklaard door de rol van koper in het neurotransmittermetabolisme. Patiënten die intraveneuze voeding krijgen zonder toevoeging van mineralen ontwikkelen een deficiëntie, met anemie en neutropenie binnen enkele weken na het kopertekort, die door het toedienen van koper wordt teruggedraaid (2). De koperbehoeften en hun basis en de mogelijkheid van deficiëntie en overmaat worden gepresenteerd in andere artikelen in dit supplement.

Mensen kunnen zich aanpassen aan overmatige blootstelling aan koper uit voedsel, water of supplementen door de geabsorbeerde fractie te verlagen naarmate de blootstelling toeneemt (3, 4). Sommige metalen en andere voedingsbestanddelen verstoren de koperabsorptie, terwijl eiwitten en histidine de absorptie versterken. Zoals aangegeven in het deel van dit supplement over intestinaal kopermetabolisme, is de darm niet alleen verantwoordelijk voor de gereguleerde koperopname, maar fungeert deze ook als opslagplaats, waardoor wordt voorkomen dat overtollig koper in het poortaderbloed terechtkomt. Onder normale omstandigheden wordt de overdracht van koper naar de lever gecomplexeerd met eiwitten via de poortader. Koper in de enterocyt is voornamelijk gebonden aan metallothioneïne. Als om welke reden dan ook de bindingscapaciteit van metallothioneïne wordt overschreden, wordt metallothioneïne gedenatureerd, waardoor het zijn capaciteit om koper te binden verliest, en celdood optreedt. Dit is in feite een verder potentieel beschermingsmechanisme in de darm dat een eerste verdedigingslinie vormt tegen koperovermaat (4, 5).

De koperopname vanuit de portale circulatie vindt plaats in de gefenestreerde haarvaten; de hepatocyten en Kupfer-cellen worden dus blootgesteld aan koper. Zodra koper de hepatocyt binnenkomt via specifieke transporters (CTR1, ATP7A), wordt het opgenomen door specifieke chaperones die de uiteindelijke bestemming van het metaal bepalen in termen van functionele eiwitten, waarvan cytochroom c oxidase, superoxide dismutase, en ceruloplasmine de belangrijkste zijn. Overtollig koper wordt gebonden aan metallothioneïne, terwijl het koper dat nodig is voor de ferroxidase-activiteit wordt overgebracht naar de Golgi met het corresponderende apo-ceruloplasmine voor export naar andere organen via de systemische circulatie. Koper wordt dus vanuit de lever in de systemische circulatie overwegend gebonden aan ceruloplasmine of gebonden aan kleine peptiden. De cellulaire opname in sommige weefsels wordt gemedieerd door specifieke ceruloplasmine-receptoren op de celoppervlakte. Als er een overmaat aan koper in de hepatocyten is, transloceert ATP7B van de Golgi naar een vesiculair transportsysteem dat verantwoordelijk is voor het transport en wordt het uitgescheiden in de biliaire canaliculi. Koper kan ook worden uitgescheiden naar de canaliculi gebonden aan glutathion of opgeslagen in lysosomen gebonden aan metallothioneïne of aan lysosomale eiwitten (6, 7). De precieze verdeling van koper over deze alternatieve transportsystemen is niet bekend, maar blijkbaar wordt de lysosomale route voor uitscheiding alleen geïnduceerd in de aanwezigheid van een teveel aan leverkoper. Biliaire excretie is de belangrijkste vorm van koperuitscheiding bij de mens en is de kritieke preventieve factor in reactie op een hoge blootstelling (7, 8). De werking van dit systeem vereist niet alleen de aanwezigheid van de respectieve koper-gerelateerde eiwitten en het Golgi-afgeleide vesiculaire systeem, maar ook de cytoskelet-structurele eiwitten die nodig zijn voor de secretie in de canaliculi (7, 8). Dit ingewikkelde, redundante systeem verklaart hoe moeilijk het is om een koperoverschot in de lever te induceren; wiskundige modellering van de biologische reacties van de enterocyten-regelreacties en het lever-opname-opslag- en uitscheidingssysteem op basis van feitelijke gegevens suggereert dat het vermogen van gezonde mensen om zich aan te passen aan een koperoverschot ten minste het 10-voudige is van de dagelijkse koperbehoefte (5-9). De homeostatische gegevens voorspellen dat de leverreserves zullen toenemen; als de uitscheidingswegen echter intact zijn, zal de biliaire uitscheiding lineair toenemen bij blootstellingen tot 20-30 maal de gemiddelde behoefte zonder dat er aanwijzingen zijn voor nadelige effecten.

RISICO VAN COPER EXCESS

Het is >80 jaar geleden dat de Londense neuroloog SAK Wilson een familiair syndroom van progressieve lenticulaire degeneratie in combinatie met levercirrose definieerde. De ziekte van Wilson wordt nu erkend als een autosomaal recessieve genetische aandoening die wordt gekenmerkt door een defect in de uitscheiding van koper in de galwegen; koper hoopt zich op in de lever en de hersenen waardoor de structuur en de functie van deze organen veranderen (10). Aanzienlijke vooruitgang is geboekt bij het ophelderen van de klinische, biochemische, genetische en histologische kenmerken alsmede de behandeling van patiënten met deze ziekte. Het klonen van het Wilson-gen heeft ons begrip van de ziekte versneld; grootschalige toepassing van genetische screening moet echter nog worden opgelost. Het gen voor de ziekte van Wilson is wereldwijd verspreid en is bij de meeste rassen aangetoond. De huidige prevalentieschatting is ≈1:30 000 levendgeborenen; de genfrequentie varieert tussen 0,3% en 0,7%, wat overeenkomt met een heterozygoot dragerschap van ≈1:100.

Andere voorbeelden van chronische kopertoxiciteit zijn Indiase kindercirrose en Tiroolse kindercirrose (11, 12); deze gevallen zijn gerelateerd aan hoge blootstelling aan koper als gevolg van dierlijke melk opgeslagen of verwarmd in koperen of koperlegering containers. De inname die in verband wordt gebracht met cirrose is gewoonlijk 50-100 maal zo hoog als de inname van een zuigeling die borstvoeding krijgt; genetische vatbaarheid kan bijdragen tot het verklaren van het individuele risico. Koper kan een synergetische werking hebben met toxines in het milieu. Bij deze ongewone voorvallen gaat het ofwel om een extreem hoge blootstelling aan koper (11, 12) of om onconventionele voedingspraktijken, zoals het innemen van supplementen zonder medische goedkeuring. Kopergeassocieerde kindercirrose is een uiterst zeldzame aandoening; voor idiopathische kopertoxicose wordt de incidentie op basis van prospectieve gegevens uit Duitsland geschat op 1:500 000 tot 1:1 000 000 (13). De gegevens voor cirrose bij kinderen uit India laten een dramatische afname van deze aandoening zien als gevolg van het vermijden van koperen vaten voor het bewaren en verwarmen van melk. Recentere waarnemingen uit het district Pune op basis van ziekenhuisopnames laten een sterke daling van de prevalentie zien; sinds 1974 zijn er geen gevallen meer gediagnosticeerd (11). De conclusie is dat Indiase kindercirrose/idiopathische kopertoxicose een ziekte met onbekende etiologie is. De meest waarschijnlijke verklaring voor deze aandoening lijkt een combinatie te zijn van een genetisch bepaald defect in het kopermetabolisme en een hoge koperinname. De relatieve bijdrage van elke factor moet nog worden vastgesteld; risicobeheer omvat in dit geval praktisch advies en verspreiding van bestaande richtlijnen.

De toxiciteit op lange termijn van koper bij matig hoge blootstellingen is minder bestudeerd. Een studie uitgevoerd in 7 steden in Massachusetts met een totaal van 64.124 blootstellingsjaren van kinderen jonger dan 6 jaar, met koperconcentraties in het drinkwater variërend van 8,4 tot 8,8 mg/L, toonde geen hogere prevalentie van sterfgevallen ten gevolge van leverziekten (14) dan in steden met een laag kopergehalte in het drinkwater. Een systematische evaluatie van het verband tussen leveraandoeningen bij kinderen en het kopergehalte in het drinkwater in het Verenigd Koninkrijk toonde geen verband tussen deze variabelen (15). Het bereik van de aanvaardbare inname ter voorkoming van kopertekort en -toxiciteit moet worden gebaseerd op de bescherming van gezonde bevolkingsgroepen en er mag niet van worden uitgegaan dat aan de eisen wordt voldaan of dat een te hoge inname van personen met een bijzondere gevoeligheid wordt voorkomen. Ziekteaandoeningen of genetische veranderingen in het kopermetabolisme die een bijzondere gevoeligheid voor een teveel of een tekort bepalen, verdienen de aandacht van de volksgezondheidsautoriteiten op basis van de relevantie van deze aandoeningen binnen een bepaalde ecologische omgeving. De boven- en ondergrens van de aanvaardbare orale inname wordt bepaald aan de hand van een op de populatie gebaseerd model voor de beoordeling van gezondheidsrisico’s in verband met een tekort of een teveel. De onderste grenswaarde moet voldoende zijn om aan de behoeften van de meeste mensen in de bevolking te voldoen. Evenzo moet het bovenste eindpunt de meeste mensen beschermen tegen het risico van toxiciteit. Dit homeostatische risicobeoordelingsmodel, dat van toepassing is op essentiële elementen, is door het International Program for Chemical Safety van de Wereldgezondheidsorganisatie voorgesteld als basis voor de risicobeoordeling van essentiële elementen (16).

Blootstelling aan EXCESS COPPER

De blootstelling van de bevolking aan koper vindt hoofdzakelijk plaats via het drinkwater en is afhankelijk van verschillende factoren: de samenstelling van het water, de tijd dat het water stilstaat in de leiding, de ouderdom van de leiding, de installatieprocedures van koperen leidingen, het gebruik van koperen leidingen in waterleidingnetten, en de drinkgewoonten van de bevolking. De koperconcentratie na het transport en de distributie van water in een koperen leiding hangt af van de chemische samenstelling van het water, voornamelijk de pH en de alkaliteit. Andere samenstellingsvariabelen zoals de opgeloste anorganische koolstof, organische stoffen en andere verbindingen spelen ook een rol bij het vrijkomen van kopernevenproducten (17, 18). Figuur 1 toont de cumulatieve verdeling van de blootstelling aan koper uit voedsel en water (gebroken lijnen) ten opzichte van de bevolkingsverdeling van fysiologische behoeften of van toxische hoeveelheden, weergegeven door de klokvormige curven.

Het risico van koperovermaat bij schijnbaar gezonde menselijke populaties kan worden verondersteld onder relatief zeldzame omstandigheden van blootstelling. Deze omvatten het volgende. 1) Populaties die worden blootgesteld aan een hoge koperopname, d.w.z. personen die water consumeren dat >5 mg Cu/L bevat of personen in de algemene bevolking met een hoge koperopname uit voedsel of voedingssupplementen met een hoog kopergehalte, lopen mogelijk het risico van een koperoverschot. Als het water een laag kopergehalte heeft (<0,1 mg/L), kan de inname van koper bij volwassenen voor >90% uit voeding bestaan. Als het kopergehalte van het water hoger is (1-2 mg/L), kan dit tot 50% van de totale inname bedragen. Bij zuigelingen die met koper verrijkte kunstvoeding gebruiken, kan de bijdrage van water <10% zijn, terwijl als de kunstvoeding niet met koper verrijkt is, water >50% van de totale koperinname kan bijdragen, vooral als het kopergehalte van het water 1-2 mg/L is (19). De situatie van personen die koper als supplement innemen verschilt; in de literatuur wordt één geval beschreven door O’Donohue et al. (20) van een man die na inname van een supplement van 30 mg/d gedurende 2 jaar en vervolgens 60 mg/d gedurende het volgende jaar, een geschatte inname van 600-900 μ g – kg-1 – d-1, ernstig leverfalen ontwikkelde en een levertransplantatie nodig had om te overleven.

2) Zuigelingen die flesvoeding in poedervorm krijgen die koper bevat en leidingwater dat >2 mg/L bevat, kunnen ook de door de Wereldgezondheidsorganisatie vastgestelde bovengrens van 150 μg – kg-1 – d-1 overschrijden. Een gecontroleerde studie bij een groep van 100 gezonde zuigelingen die gedurende 1 jaar bijna het dubbele van die hoeveelheid consumeerden uit water met 2 mg Cu/L, leverde echter geen biochemische of klinische aanwijzingen voor gezondheidsproblemen op (19). Bevolkingsonderzoek in Duitsland heeft evenmin een verband aangetoond tussen blootstelling aan koper uit water met concentraties van ≈0,8 mg/L en klinische of laboratoriumindicaties van leverafwijkingen (21).

3) Ten slotte kunnen bevolkingsgroepen die als gevolg van genetische defecten of gen-voedingsstofinteracties een grotere gevoeligheid voor koperoverschotten hebben, bijvoorbeeld personen die heterozygoot zijn voor het gen voor de ziekte van Wilson, een risico op koperoverschot lopen (zie B in figuur 1). Deze groep kan tot 1% van de algemene bevolking vertegenwoordigen, gezien de prevalentie van de ziekte van Wilson in verschillende geografische regio’s. Vooralsnog blijft onbekend of deze personen een verhoogde gevoeligheid hebben voor de accumulatie van koper onder blootstellingen die als veilig voor de algemene bevolking worden beschouwd.

Veiligheidsgegevens op lange termijn van normale populaties zijn beperkt, en prospectieve studies waarbij de blootstelling in de tijd wordt gecontroleerd, zijn uiterst moeilijk uit te voeren. Er zijn gecontroleerde studies van 3-6 maanden uitgevoerd waarin de reacties op blootstelling aan 8-10 mg Cu/d zijn beoordeeld (22, 23). De huidige maximumwaarden voor koper zijn 8-10 mg/d; dit vormt de grens van wat ethisch kan worden beoordeeld bij normale mensen. Het is dus wellicht niet mogelijk om aanwijzingen voor een klassieke ziekte aan te tonen, tenzij genetische factoren een verhoogde vatbaarheid veroorzaken. Merkers om de vroege effecten van een overmatige accumulatie van koper te beoordelen voordat pathologische veranderingen optreden, zouden het mogelijk kunnen maken het risico op een ethisch verantwoorde en valide manier te beoordelen. Indien een dergelijke merker beschikbaar zou zijn, zou een doeltreffend risicobeheer gericht op vatbare individuen of bevolkingsgroepen kunnen worden uitgevoerd. Helaas is het probleem niet opgelost met markers van blootstelling; er is behoefte aan specifieke biomarkers van de koperbelasting van de lever die opslag op niveaus die compatibel zijn met levercirrose kunnen voorspellen. Zelfs markers van subklinische ziekte zouden ontoereikend zijn, want als het ontstekingsproces dat tot fibrose leidt eenmaal op gang is gekomen, is het misschien te laat voor preventieve maatregelen.

QUANTIFYING RISK OF COPPER EXCESS

Momenteel is de enige marker van hepatische koperoverbelasting de seriële meting van het kopergehalte in leverbiopten. Het normale leverkopergehalte varieert van 15 tot 55 μg/g droge lever. Vrijwel alle onbehandelde patiënten met de ziekte van Wilson hebben een verhoogde leverkoperconcentratie, variërend van 250 tot 3000 μg/g droge lever. Het vinden van een normale leverkoperconcentratie sluit de diagnose van onbehandelde ziekte van Wilson effectief uit. Een verhoogde leverkoperconcentratie alleen is echter onvoldoende om de diagnose van de ziekte van Wilson vast te stellen, omdat concentraties >250 μg/g ook kunnen worden gevonden bij andere chronische leveraandoeningen, waaronder primaire biliaire cirrose, primaire scleroserende cholangitis, extrahepatische biliaire obstructie of atresie, chronische actieve hepatitis, intrahepatische cholestase van de kinderleeftijd, en Indiase kinderleeftijd cirrose. Een alternatieve marker zou de concentratie en de verzadigingsgraad van ceruloplasmine kunnen zijn; helaas reageert deze indicator op een lage koperinname, maar neemt hij niet toe in aanwezigheid van een teveel aan koper. De normale serumconcentratie van ceruloplasmine is 200 tot 400 mg/l; hoewel de concentraties bij pasgeborenen laag zijn, stijgen zij geleidelijk gedurende de eerste twee levensjaren, hetgeen samenvalt met de postnatale daling van de koperconcentratie in de lever. Bij ≈90% van alle patiënten met de ziekte van Wilson liggen de concentraties onder het normale bereik. Moeilijkheden kunnen zich voordoen met betrekking tot de 10% heterozygote dragers van het gen voor de ziekte van Wilson die verminderde serumconcentraties van ceruloplasmine vertonen maar nooit klinische symptomen of tekenen van de ziekte ontwikkelen. Deze personen, die ≈1:2000 personen in de algemene bevolking vertegenwoordigen, kunnen een moeilijk diagnostisch dilemma vormen als zij toevallig hepatitis of cirrose secundair aan andere etiologie ontwikkelen, waarbij de klinische, biochemische, en histologische kenmerken van de ziekte van Wilson worden nagebootst.

Systematische studies bij de mens suggereren dat de consumptie van dranken of drinkwater met koper van meer dan 5-6 mg/L resulteert in misselijkheid, braken en diarree bij >5% van de blootgestelden (24). Daarom is de huidige richtlijn van de Wereldgezondheidsorganisatie voor drinkwater vastgesteld op 2 mg/L. Dit cijfer werd als veilig beschouwd voor chronische blootstelling van de bevolking, omdat er vooralsnog geen bewijs is van het tegendeel, behalve voor patiënten met de ziekte van Wilson (24). Een groep deskundigen van de Amerikaanse National Academy of Science heeft echter gevraagd te onderzoeken of de Amerikaanse grenswaarde van 1,3 mg Cu/L in water kan worden verhoogd tot 2 mg/L, omdat slechts de helft van de deskundigen de voorgestelde wijziging aanvaardde (25, 26). De resterende helft was bezorgd over mogelijke chronische gezondheidseffecten als gevolg van de onzekere frequentie van genetische gevoeligheid. Zij waren van mening dat tot 1% van de bevolking heterozygoot was voor het gen voor de ziekte van Wilson en dat mogelijk nog eens 1% andere vatbaarheidsgenen zou kunnen hebben, zodat het langetermijneffect van dit blootstellingsniveau bij genetisch vatbare personen moet worden vastgesteld.

Zelfs als we de perfecte marker voor de ziekte van Wilson zouden hebben, met een voorspellend vermogen van 100%, zou een grote steekproefomvang nodig zijn om de aan- of afwezigheid van risico aan te tonen met voldoende vermogen om preventieve maatregelen op het niveau van de bevolking te sturen. Tabel 1 toont het specifieke risico voor verschillende potentiële klinische en subklinische eindpunten en het totale populatierisico van een meetbaar effect, rekening houdend met verschillende blootstellingsniveaus van de populatie op basis van het model van figuur 1. De eindpunten zijn gebaseerd op het risico van de ziekte van Wilson. De eindpunten zijn gebaseerd op de bekende frequenties van genetische defecten die een verhoogde gevoeligheid bij lagere blootstellingsniveaus aangeven. Het is duidelijk dat het bij de gebruikelijke blootstellingsniveaus uiterst zeldzaam zou zijn klinische symptomen of zelfs subklinische symptomen te vinden; de enige gevoelige maat voor koperoverschotten zouden dus indexen zijn die de koperbelasting van de lever voorspellen. Bijvoorbeeld, als de prevalentie van heterozygoten 1% is, en alle dragers van één afwijkend gen hebben overmatige koperaccumulatie in de lever, dan hebben we, als we de perfecte biomarker hadden, >3000 personen nodig om met 90% power en 0,05 significantie een relatief risico van 2:1 aan te tonen van accumulatie van overmatig koper ten opzichte van normaal. Als het relatieve risico 10:1 zou zijn, zouden we iets minder proefpersonen nodig hebben (27). Als we echter levercirrose als relevante uitkomst kiezen, zouden we tussen de 100 000 en 500 000 personen nodig hebben om een relatief risico van 10:1 met 90% power en een significantie van <0,05 aan te tonen. Dit grote aantal is nodig omdat cirrose nog steeds vrij zeldzaam zou zijn, misschien hooguit 1 op 10 000, aangezien de homozygotische toestand zich klinisch gemiddeld slechts 1 op 30 000 manifesteert. Deze aantallen zouden nog groter zijn als slechts een fractie van de bevolking aan het gegeven kopergehalte wordt blootgesteld (27).