Oszacowanie ryzyka związanego z nadmiarem miedzi w populacjach ludzkich

ABSTRACT

Oszacowanie ryzyka dla składników odżywczych zakłada pojedynczą populację z normalnym rozkładem wskaźników zapotrzebowania i nadmiaru. Toksyczne poziomy są z definicji spożycie powyżej górnego poziomu; dla miedzi, jednak, ponieważ brakuje nam nieinwazyjne, czułe biomarkery przechowywania lub wczesnego uszkodzenia z nadmiaru, nadmiar jest oparty na rzadkie występowanie choroby klinicznej, takie jak niewyjaśnione marskość wątroby. Badamy ograniczenia tego podejścia w odniesieniu do miedzi, biorąc pod uwagę bardzo niską częstość występowania klinicznych i subklinicznych chorób i sugerujemy, aby ryzyko populacyjne dla nadmiaru miedzi opierało się na obciążeniu wątroby miedzią jako potencjalnie wymiernym pomiarze. Wyzwaniem na przyszłość jest opracowanie biomarkerów, które przewidują ryzyko populacyjne podwyższonych zapasów miedzi w wątrobie, a tym samym możliwość wystąpienia choroby w populacji.

INTRODUCTION

Tradycyjna ocena ryzyka deficytu i nadmiaru składników odżywczych zakłada pojedynczą populację z wymaganiami, które podążają za rozkładem normalnym; na tej podstawie ustalane jest średnie zapotrzebowanie i zalecane spożycie w celu pokrycia stałego (97,5) procenta grupy. Górny poziom definiuje górną granicę zakresu, który jest uważany za bezpieczny. Poziomy toksyczne są z definicji spożyciem powyżej górnego poziomu. Badamy ograniczenia stosowania tego podejścia do miedzi, biorąc pod uwagę znane i potencjalnie podatne populacje i zaproponować potencjalną metodę ilościowego określenia ryzyka populacji z nadmiaru miedzi na podstawie dostępnych danych.

Dowód żywieniowej niezbędności miedzi u ludzi jest ustalona na podstawie obecności miedzi w organizmie, wykazanie niekorzystnych skutków, jeśli jest usuwany z diety, a wreszcie korzystny wpływ przywrócenia go. Zawartość miedzi w całym organizmie u osób dorosłych wynosi ≈80 mg (zakres: 50-120 mg), przy czym najwyższe stężenia stwierdza się w wątrobie i mózgu (odpowiednio 5,1 i 6,3 μg/g mokrej masy ciała; 1, 2). Miedź w wątrobie stanowi główną formę magazynowania, natomiast wysoka zawartość w zwojach podstawy mózgu jest tłumaczona rolą miedzi w metabolizmie neuroprzekaźników. Pacjenci otrzymujący żywienie dożylne bez dodatku składników mineralnych rozwijają niedobory, wykazując niedokrwistość i neutropenię w ciągu kilku tygodni pozbawienia miedzi, które są odwracane przez dostarczenie miedzi (2). Wymagania miedzi i ich podstawy i potencjał niedoboru i nadmiaru są przedstawione w innych artykułach w tym suplemencie.

Ludzie mogą dostosować się do nadmiernej ekspozycji miedzi z żywności, wody lub suplementów poprzez zmniejszenie wchłanianej frakcji jak ekspozycja wzrasta (3, 4). Niektóre metale i inne składniki diety zakłócają wchłanianie miedzi, podczas gdy białko i histydyna zwiększają jej wchłanianie. Jak wskazano w części niniejszego suplementu poświęconej metabolizmowi miedzi w jelitach, jelito jest nie tylko odpowiedzialne za regulowany pobór miedzi, ale także służy jako miejsce jej magazynowania, zapobiegając w ten sposób przedostawaniu się nadmiaru miedzi do krwi wrotnej. W normalnych warunkach transfer miedzi do wątroby odbywa się poprzez żyłę wrotną w kompleksie z białkami. Miedź w enterocycie jest związana głównie z metalotioneiną. Jeśli z jakiegokolwiek powodu zostanie przekroczona zdolność wiązania magazynów metalotioneiny, metalotioneina ulega denaturacji, tracąc w ten sposób zdolność wiązania miedzi i następuje śmierć komórki. Jest to w rzeczywistości kolejny potencjalny mechanizm ochronny w jelicie, stanowiący pierwszą linię obrony przed nadmiarem miedzi (4, 5).

Wchłanianie miedzi z krążenia wrotnego odbywa się w fenestrowanych kapilarach; w ten sposób hepatocyty i komórki Kupfera są narażone na działanie miedzi. Po przedostaniu się miedzi do hepatocytu za pośrednictwem specyficznych transporterów (CTR1, ATP7A), jest ona pobierana przez specyficzne chaperony, które określają ostateczne przeznaczenie metalu w postaci białek funkcjonalnych, z których najważniejsze to oksydaza cytochromu c, dysmutaza ponadtlenkowa i ceruloplazmina. Nadmiar miedzi jest wiązany z metalotioneiną, natomiast miedź niezbędna do aktywności ferroksydazy jest przenoszona do Golgiego wraz z odpowiednią apo-ceruloplazminą w celu eksportu do innych narządów poprzez krążenie systemowe. Miedź jest więc wydzielana z wątroby do krążenia systemowego głównie w postaci związanej z ceruloplazminą lub związanej z małymi peptydami. Pobór komórkowy w niektórych tkankach odbywa się za pośrednictwem specyficznych receptorów powierzchniowych ceruloplazminy. W przypadku nadmiaru miedzi w hepatocytach, ATP7B ulega translokacji z Golgiego do pęcherzykowego systemu transportowego odpowiedzialnego za transport i jest wydzielany do kanalików żółciowych. Miedź może być również wydalana do kanalików związana z glutationem lub magazynowana w lizosomach związana z metalotioneiną lub z białkami lizosomalnymi (6, 7). Dokładny rozkład miedzi w tych alternatywnych systemach transportowych nie jest znany, ale wydaje się, że lizosomalny szlak wydalania jest indukowany tylko w obecności nadmiaru miedzi w wątrobie. Wydalanie żółciowe jest główną formą eliminacji miedzi u ludzi i jest krytycznym czynnikiem zapobiegawczym w odpowiedzi na wysokie narażenie (7, 8). Funkcjonowanie tego systemu wymaga nie tylko obecności odpowiednich białek związanych z miedzią i systemu pęcherzyków Golgiego, ale również cytoszkieletowych białek strukturalnych niezbędnych do wydzielania do kanalików (7, 8). Ten skomplikowany, redundantny system tłumaczy trudności w wywołaniu nadmiaru miedzi w wątrobie; matematyczne modelowanie biologicznych odpowiedzi regulacyjnych enterocytów oraz wątrobowego systemu wychwytu, magazynowania i wydalania, oparte na rzeczywistych danych, sugeruje, że zdolność zdrowego człowieka do adaptacji do nadmiaru miedzi jest co najmniej 10-krotnie większa od dziennego zapotrzebowania na miedź (5-9). Dane homeostatyczne przewidują, że zapasy w wątrobie wzrosną; jednakże, jeśli drogi wydalania są nienaruszone, wydalanie żółci wzrośnie liniowo z ekspozycją do 20-30 razy średniego zapotrzebowania bez dowodów niekorzystnych skutków.

ZAGROŻENIE NADMIAREM MIEDZI

Minęło >80 lat od czasu, gdy londyński neurolog SAK Wilson zdefiniował rodzinny zespół postępującego zwyrodnienia soczewki związanego z marskością wątroby. Choroba Wilsona jest obecnie rozpoznawana jako autosomalne recesywne zaburzenie genetyczne charakteryzujące się defektem w żółciowym wydalaniu miedzi; miedź gromadzi się w wątrobie i mózgu powodując zmiany w strukturze i funkcji tych narządów (10). Osiągnięto znaczne postępy w wyjaśnianiu cech klinicznych, biochemicznych, genetycznych i histologicznych, jak również w leczeniu pacjentów z tą chorobą. Sklonowanie genu choroby Wilsona przyspieszyło nasze zrozumienie tej choroby, jednak nie rozwiązano jeszcze problemu zastosowania na szeroką skalę przesiewowych badań genetycznych. Gen choroby Wilsona jest rozpowszechniony na całym świecie i został wykazany u większości ras. Obecny szacunek częstości występowania wynosi ≈1:30 000 żywych urodzeń; częstość genu waha się między 0,3% a 0,7%, co odpowiada współczynnikowi nosicielstwa heterozygot ≈1:100.

Inne przykłady przewlekłej toksyczności miedzi obejmują indyjską marskość wątroby u dzieci i tyrolską marskość wątroby u niemowląt (11, 12); przypadki te są związane z wysokim narażeniem na miedź z powodu mleka zwierzęcego przechowywanego lub podgrzewanego w pojemnikach z miedzi lub jej stopów. Spożycie miedzi związane z marskością wątroby jest zwykle 50-100 razy większe niż to, które otrzymuje niemowlę karmione piersią; podatność genetyczna może przyczynić się do wyjaśnienia indywidualnego ryzyka. Miedź może działać w synergii z toksynami środowiskowymi. Te niezwykłe przypadki wiążą się albo z ekstremalnie wysoką ekspozycją na miedź (11, 12), albo z niekonwencjonalnymi praktykami dietetycznymi, takimi jak przyjmowanie suplementów bez zgody lekarza. Marskość wątroby u niemowląt związana z miedzią jest niezwykle rzadkim stanem; dla idiopatycznej toksyczności miedzi szacowana częstość występowania na podstawie prospektywnych danych z Niemiec wynosi 1:500 000 do 1:1 000 000 (13). Dane dotyczące indyjskiej marskości wątroby u dzieci z Indii ujawniają dramatyczny spadek tego stanu wynikający z unikania stosowania miedzianych naczyń do przechowywania i podgrzewania mleka. Nowsze obserwacje z okręgu Pune, oparte na danych z przyjęć do szpitala, ujawniają znaczny spadek częstości występowania; od 1974 roku nie rozpoznano żadnego przypadku (11). Podsumowując, indyjska marskość wątroby/idiopatyczna toksyczność miedzi u dzieci jest chorobą o nieznanej etiologii. Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem tego stanu wydaje się być połączenie genetycznie uwarunkowanego defektu w metabolizmie miedzi i wysokiego spożycia miedzi. Względny udział każdego z czynników pozostaje do ustalenia; zarządzanie ryzykiem w tym przypadku obejmuje praktyczne porady i rozpowszechnianie istniejących wytycznych.

Długoterminowa toksyczność miedzi przy umiarkowanie wysokim narażeniu była mniej zbadana. Badanie przeprowadzone w 7 miastach w Massachusetts z łączną liczbą 64 124 child-years ekspozycji dzieci w wieku poniżej 6 lat, przy stężeniach miedzi w wodzie pitnej wahających się od 8,4 do 8,8 mg/L, nie wykazało większej częstości zgonów z powodu chorób wątroby (14) niż w miastach o niskiej zawartości miedzi w wodzie pitnej. Systematyczna ocena związku występowania chorób wątroby u niemowląt z zawartością miedzi w wodzie pitnej w Wielkiej Brytanii nie wykazała związku między tymi zmiennymi (15). Zakres dopuszczalnego spożycia w celu zapobiegania niedoborom i toksyczności miedzi powinien być oparty na ochronie zdrowych populacji i nie należy oczekiwać, że spełni wymagania lub zapobiegnie nadmiarowi u osób ze szczególną podatnością. Stany chorobowe lub zmiany genetyczne w metabolizmie miedzi, które determinują szczególną wrażliwość na jej nadmiar lub niedobór, zasługują na uwagę organów zdrowia publicznego w oparciu o znaczenie tych stanów w danym środowisku ekologicznym. Górną i dolną granicę zakresu dopuszczalnego spożycia doustnego określa się przy użyciu populacyjnego modelu oceny ryzyka dla zdrowia związanego z niedoborem lub nadmiarem. Dolna wartość graniczna powinna być wystarczająca do zaspokojenia potrzeb większości osób w populacji. Podobnie, górny punkt końcowy powinien chronić większość osób przed ryzykiem toksyczności. Ten homeostatyczny model oceny ryzyka, mający zastosowanie do pierwiastków niezbędnych, został zaproponowany przez Międzynarodowy Program Bezpieczeństwa Chemicznego Światowej Organizacji Zdrowia jako podstawa oceny ryzyka pierwiastków niezbędnych (16).

NARAŻENIE NA NADMIAR MIEDZI

Narażenie populacji na miedź odbywa się głównie poprzez wodę pitną i zależy od kilku czynników: składu wody, czasu kontaktu wody z rurą w stanie stagnacji, wieku rury, procedur instalacji rur miedzianych, stosowania rur miedzianych w sieciach dystrybucji wody oraz nawyków żywieniowych ludności. Stężenie miedzi po transporcie i dystrybucji wody w rurze miedzianej zależy od składu chemicznego wody, głównie jej pH i zasadowości. Inne zmienne składowe, takie jak rozpuszczony węgiel nieorganiczny, substancje organiczne i inne związki, również odgrywają rolę w uwalnianiu produktów ubocznych miedzi (17, 18). Ilustracja na rycinie 1 przedstawia skumulowany rozkład narażenia na miedź pochodzącą z żywności i wody (linie łamane) w stosunku do rozkładu potrzeb fizjologicznych populacji lub ilości toksycznych reprezentowanych przez krzywe w kształcie dzwonu.

Ryzyko nadmiaru miedzi w pozornie zdrowych populacjach ludzkich można postawić hipotezę w stosunkowo rzadkich warunkach narażenia. Należą do nich następujące sytuacje. 1) Populacje narażone na wysokie spożycie miedzi, tj. podmioty, które spożywają wodę zawierającą >5 mg Cu/L lub te w populacji ogólnej z wysokim spożyciem miedzi z żywności lub suplementów diety o wysokiej zawartości miedzi, mogą być narażone na ryzyko nadmiaru miedzi. Żywność może stanowić >90% spożycia miedzi u dorosłych, jeśli woda zawiera mało miedzi (<0,1 mg/L). Jeśli zawartość miedzi w wodzie jest wyższa (1-2 mg/L), może ona stanowić do 50% całkowitego spożycia. U niemowląt spożywających preparaty sztuczne wzbogacane miedzią, udział wody może wynosić <10%, natomiast jeśli preparat nie jest wzbogacany miedzią, woda może stanowić >50% całkowitego spożycia miedzi, zwłaszcza gdy zawartość miedzi w wodzie wynosi 1-2 mg/L (19). Sytuacja osób przyjmujących miedź w formie suplementu jest różna; w literaturze istnieje jeden opis przypadku opisany przez O’Donohue i wsp. (20) dotyczący mężczyzny, u którego po przyjmowaniu suplementu w dawce 30 mg/d przez 2 lata, a następnie 60 mg/d przez kolejny rok, co stanowi szacunkowe spożycie 600-900 μ g – kg-1 – d-1, rozwinęła się ciężka niewydolność wątroby i aby przeżyć wymagał przeszczepu wątroby.

2) Niemowlęta karmione mieszanką zawierającą miedź w proszku i wodę wodociągową zawierającą >2 mg/L mogą również przekraczać górną granicę Światowej Organizacji Zdrowia wynoszącą 150 μg – kg-1 – d-1. Jednakże, kontrolowane badanie w grupie 100 zdrowych niemowląt spożywających blisko dwukrotność tej ilości przez 1 rok z wody o zawartości 2 mg Cu/L nie wykazało żadnych biochemicznych ani klinicznych dowodów problemów zdrowotnych (19). Badania populacyjne w Niemczech również nie wykazały związku pomiędzy narażeniem na miedź pochodzącą z wody o stężeniu ≈0,8 mg/L a klinicznymi lub laboratoryjnymi dowodami nieprawidłowości wątroby (21).

3) Wreszcie, grupy populacji, które mogą mieć większą podatność na nadmiar miedzi w wyniku defektów genetycznych lub interakcji gen-składnik odżywczy, na przykład osoby heterozygotyczne dla genu choroby Wilsona, mogą być zagrożone nadmiarem miedzi (patrz B na rycinie 1). Grupa ta może stanowić nawet do 1% populacji ogólnej, biorąc pod uwagę częstość występowania choroby Wilsona w różnych regionach geograficznych. Na razie nie wiadomo, czy osoby te mają zwiększoną podatność na akumulację miedzi w warunkach ekspozycji uznawanych za bezpieczne dla populacji ogólnej.

Długoterminowe dane dotyczące bezpieczeństwa w normalnych populacjach są ograniczone, a badania prospektywne kontrolujące ekspozycję w czasie są niezwykle trudne do przeprowadzenia. Przeprowadzono kontrolowane badania w okresie 3-6 miesięcy, oceniające reakcje na ekspozycję na 8-10 mg Cu/d (22, 23). Obecne górne poziomy dla miedzi wynoszą 8-10 mg/d; stanowi to granicę tego, co może być etycznie oceniane u normalnych ludzi. Dlatego też wykazanie dowodów klasycznej choroby może nie być możliwe, chyba że czynniki genetyczne warunkują zwiększoną podatność. Markery do oceny wczesnych skutków nadmiernego gromadzenia się miedzi, zanim wystąpią jakiekolwiek zmiany patologiczne, mogłyby pozwolić na ocenę ryzyka w etycznej i ważnej formie. Gdyby taki marker był dostępny, można by wdrożyć skuteczne zarządzanie ryzykiem ukierunkowane na podatne jednostki lub grupy populacyjne. Niestety, problem nie jest rozwiązywany przez markery ekspozycji; istnieje potrzeba specyficznych biomarkerów obciążenia wątroby miedzią, które przewidywałyby magazynowanie na poziomie zgodnym z marskością wątroby. Nawet markery subklinicznej choroby byłyby niewystarczające, ponieważ po uruchomieniu procesu zapalnego prowadzącego do zwłóknienia może być za późno na działania prewencyjne.

QUANTIFYING RISK OF COPPER EXCESS

Currently, the only marker of hepatic copper overload is the serial measurement of copper content performed in liver biopsies. Prawidłowa zawartość miedzi w wątrobie waha się od 15 do 55 μg/g suchej wątroby. Praktycznie wszyscy nieleczeni pacjenci z chorobą Wilsona mają podwyższone stężenie miedzi w wątrobie, wynoszące od 250 do 3000 μg/g suchej wątroby. Stwierdzenie prawidłowego stężenia miedzi w wątrobie skutecznie wyklucza rozpoznanie nieleczonej choroby Wilsona. Jednak samo podwyższone stężenie miedzi w wątrobie nie wystarcza do ustalenia rozpoznania choroby Wilsona, ponieważ stężenie >250 μg/g może występować w innych przewlekłych schorzeniach wątroby, takich jak pierwotna żółciowa marskość wątroby, pierwotne stwardniające zapalenie dróg żółciowych, zewnątrzwątrobowa niedrożność lub atrezja dróg żółciowych, przewlekłe aktywne zapalenie wątroby, wewnątrzwątrobowa cholestaza dziecięca i indyjska marskość wątroby u dzieci. Alternatywnym markerem może być stężenie i stopień wysycenia ceruloplazminy; niestety, wskaźnik ten reaguje na niskie spożycie miedzi, ale nie wzrasta w obecności jej nadmiaru. Prawidłowe stężenie ceruloplazminy w surowicy wynosi od 200 do 400 mg/L; chociaż stężenie to jest niskie u noworodków ludzkich, stopniowo wzrasta w ciągu pierwszych 2 lat życia, co zbiega się z postnatalnym spadkiem stężenia miedzi w wątrobie. Stężenia są poniżej normy u ≈90% wszystkich pacjentów z chorobą Wilsona. Trudności mogą pojawić się w odniesieniu do 10% heterozygotycznych nosicieli genu dla choroby Wilsona, którzy wykazują zmniejszone stężenie ceruloplazminy w surowicy, ale nigdy nie rozwijają objawów klinicznych lub oznak choroby. Osoby te, stanowiące ≈1:2000 osób w populacji ogólnej, mogą stanowić trudny dylemat diagnostyczny, jeśli przypadkowo rozwinie się u nich zapalenie wątroby lub marskość wątroby o innej etiologii, naśladując w ten sposób kliniczne, biochemiczne i histologiczne cechy choroby Wilsona.

Systematyczne badania na ludziach sugerują, że spożywanie napojów lub wody pitnej z zawartością miedzi przekraczającą 5-6 mg/L powoduje nudności, wymioty i biegunkę u >5% osób narażonych (24). Dlatego też, obecna wytyczna Światowej Organizacji Zdrowia dla wody pitnej została ustalona na poziomie 2 mg/L. Liczba ta została uznana za bezpieczną dla przewlekłego narażenia ludności, ponieważ jak dotąd nie ma dowodów przeciwnych, z wyjątkiem pacjentów z chorobą Wilsona (24). Jednak grupa ekspertów amerykańskiej Narodowej Akademii Nauk poprosiła o zbadanie, czy amerykańska wartość graniczna 1,3 mg Cu/L w wodzie może zostać podniesiona do 2 mg/L, ponieważ tylko połowa ekspertów zaakceptowała proponowaną zmianę (25, 26). Pozostała połowa była zaniepokojona potencjalnymi przewlekłymi skutkami zdrowotnymi z powodu niepewnej częstotliwości występowania podatności genetycznej. Uważali oni, że do 1% populacji jest heterozygotyczny dla genu choroby Wilsona i potencjalnie kolejny 1% może mieć inne geny podatności, stąd potrzeba określenia długoterminowego efektu tego poziomu ekspozycji u osób podatnych genetycznie.

Nawet gdybyśmy mieli idealny marker dla choroby Wilsona, o 100% mocy predykcyjnej, wymagałoby to dużej wielkości próby, aby wykazać obecność lub brak ryzyka z wystarczającą mocą, aby kierować działaniami prewencyjnymi na poziomie populacji. W Tabeli 1 przedstawiono specyficzne ryzyko dla różnych potencjalnych klinicznych i subklinicznych punktów końcowych oraz ogólne ryzyko populacyjne jakiegokolwiek mierzalnego efektu, biorąc pod uwagę różne poziomy narażenia populacji na podstawie modelu przedstawionego na Rysunku 1. Punkty końcowe są oparte na znanych częstotliwościach defektów genetycznych, które określają zwiększoną podatność przy niższych poziomach narażenia. Jest oczywiste, że przy zwykłym narażeniu niezwykle rzadko można znaleźć objawy kliniczne lub nawet subkliniczne; zatem jedyną czułą miarą nadmiaru miedzi byłyby wskaźniki, które przewidują obciążenie wątroby miedzią. Na przykład, jeśli częstość występowania osób heterozygotycznych wynosi 1%, a wszystkie osoby będące nosicielami jednego nieprawidłowego genu mają nadmierną akumulację miedzi w wątrobie, pod warunkiem, że mielibyśmy doskonały biomarker, potrzebowalibyśmy >3000 osób, aby wykazać z mocą 90% i istotnością 0,05 względne ryzyko 2:1 akumulacji nadmiaru miedzi w stosunku do normy. Jeśli ryzyko względne wynosiłoby 10:1, potrzebowalibyśmy nieco mniej osób (27). Jednakże, jeśli wybraliśmy marskość wątroby jako istotny wynik, potrzebowalibyśmy od 100 000 do 500 000 uczestników, aby wykazać ryzyko względne 10:1 z mocą 90% i istotnością <0,05. Tak duża liczba jest potrzebna, ponieważ marskość wątroby byłaby nadal dość rzadka, być może najwyżej 1 na 10 000, biorąc pod uwagę, że stan homozygoty objawia się klinicznie średnio tylko 1 na 30 000. Liczby te byłyby jeszcze większe, gdyby tylko ułamek populacji był narażony na dany poziom miedzi (27).