Estimarea riscului datorat excesului de cupru în populațiile umane

ABSTRACT

Evaluarea riscului pentru nutrienți presupune o singură populație cu o distribuție normală a indicilor de necesar și de exces. Nivelurile toxice sunt, prin definiție, aporturi peste nivelul superior; pentru cupru, însă, deoarece nu dispunem de biomarkeri neinvazivi și sensibili de stocare sau de leziuni timpurii cauzate de exces, excesul se bazează pe apariția puțin frecventă a bolilor clinice, cum ar fi ciroza hepatică inexplicabilă. Examinăm limitările acestei abordări pentru cupru, având în vedere prevalența foarte scăzută a bolilor clinice și subclinice, și sugerăm ca riscul populației pentru excesul de cupru să se bazeze pe încărcarea hepatică cu cupru, ca o măsură potențial cuantificabilă. Provocarea viitoare este de a dezvolta biomarkeri care să prezică riscul populațional de depozite hepatice ridicate de cupru și, astfel, posibilitatea apariției unei boli într-o populație.

INTRODUCERE

Evaluarea tradițională a riscului de deficit și exces de nutrienți presupune o singură populație cu cerințe care urmează o distribuție normală; pe baza acesteia, se stabilește un necesar mediu și un aport recomandat pentru a acoperi un procent fix (97,5) din grup. Un nivel superior definește capătul superior al intervalului care este considerat sigur. Nivelurile toxice sunt, prin definiție, aporturi peste nivelul superior. Examinăm limitele aplicării acestei abordări în cazul cuprului, având în vedere populațiile cunoscute și potențial susceptibile și propunem o metodă potențială de cuantificare a riscului pentru populație datorat excesului de cupru pe baza datelor disponibile.

Proba esențialității nutriționale a cuprului la om este stabilită pe baza prezenței cuprului în organism, a demonstrării efectelor adverse dacă acesta este eliminat din alimentație și, în final, a efectului benefic al restabilirii lui. Conținutul de cupru în corpul întreg la adulți este de ≈80 mg (interval: 50-120 mg), cu cele mai mari concentrații găsite în ficat și creier (5,1 și, respectiv, 6,3 μg/g greutate umedă; 1, 2). Cuprul din ficat reprezintă principala formă de stocare, în timp ce conținutul ridicat din ganglionii bazali ai creierului se explică prin rolul cuprului în metabolismul neurotransmițătorilor. Pacienții care primesc nutriție intravenoasă fără adaos de minerale dezvoltă deficiență, prezentând anemie și neutropenie în câteva săptămâni de la privarea de cupru, care sunt inversate prin furnizarea de cupru (2). Cerințele de cupru și bazele acestora, precum și potențialul de deficiență și exces sunt prezentate în alte articole din acest supliment.

Oamenii se pot adapta la expunerea excesivă la cupru din alimente, apă sau suplimente prin scăderea fracțiunii absorbite pe măsură ce crește expunerea (3, 4). Unele metale și alte componente alimentare interferează cu absorbția cuprului, în timp ce proteinele și histidina îmbunătățesc absorbția. După cum s-a subliniat în secțiunea din acest supliment referitoare la metabolismul intestinal al cuprului, intestinul nu este responsabil doar de absorbția reglementată a cuprului, ci servește și ca loc de depozitare, împiedicând astfel ca excesul de cupru să intre în sângele portal. În condiții normale, transferul de cupru către ficat este complexat cu proteine prin vena portală. Cuprul din enterocit este legat în principal de metalotioneină. Dacă, dintr-un motiv oarecare, capacitatea de legare a metalotioneinei de stocare este depășită, metalotioneina este denaturată, pierzându-și astfel capacitatea de a lega cuprul și are loc moartea celulară. Acesta este, de fapt, un potențial mecanism suplimentar de protecție în intestin, reprezentând o primă linie de apărare împotriva excesului de cupru (4, 5).

Captarea cuprului din circulația portală are loc în capilarele fenestrate; astfel, hepatocitele și celulele Kupfer sunt expuse la cupru. Odată ce cuprul pătrunde în hepatocit prin intermediul unor transportatori specifici (CTR1, ATP7A), este preluat de chaperoni specifici care definesc destinația finală a metalului în termeni de proteine funcționale, dintre care citocromul c oxidază, superoxid dismutaza și ceruloplasmina sunt cele mai importante. Excesul de cupru este legat de metalotioneină, în timp ce cuprul necesar pentru activitatea feroxidazei este transferat în Golgi cu apo-ceruloplasmina corespunzătoare pentru a fi exportat către alte organe prin circulația sistemică. Astfel, cuprul este secretat din ficat în circulația sistemică predominant legat de ceruloplasmină sau legat de peptide mici. Absorbția celulară în unele țesuturi este mediată de receptori specifici ai ceruloplasminei de la suprafața celulară. În cazul în care există un exces de cupru în hepatocite, ATP7B se translocă din Golgi către un sistem de transport vezicular responsabil cu transportul și este secretat în canaliculele biliare. Cuprul poate fi, de asemenea, excretat în canaliculi legat de glutation sau stocat în lizozomi legat de metalotioneină sau de proteine lizozomiale (6, 7). Distribuția exactă a cuprului în aceste sisteme alternative de transport nu este cunoscută, dar, aparent, calea lizozomală de excreție este indusă numai în prezența unui exces de cupru hepatic. Excreția biliară este principala formă de eliminare a cuprului la om și este factorul critic de prevenire ca răspuns la o expunere ridicată (7, 8). Funcționarea acestui sistem necesită nu numai prezența proteinelor respective legate de cupru și a sistemului vezicular derivat din Golgi, ci și a proteinelor structurale citoscheletice necesare pentru secreția în canaliculi (7, 8). Acest sistem complex și redundant explică dificultatea de a induce un exces de cupru în ficat; modelarea matematică a răspunsurilor biologice ale răspunsurilor de reglare ale enterocitelor și ale sistemului hepatic de absorbție-stocare și excreție, bazată pe date reale, sugerează că capacitatea de adaptare a oamenilor sănătoși la un exces de cupru este de cel puțin 10 ori mai mare decât necesarul zilnic de cupru (5-9). Datele homeostatice prevăd că depozitele hepatice vor crește; cu toate acestea, dacă căile de excreție sunt intacte, excreția biliară va crește liniar cu expuneri de până la 20-30 de ori mai mari decât necesarul mediu, fără dovezi de efecte adverse.

RISCUL EXCESULUI DE CUPRU

Au trecut >80 de ani de când neurologul londonez SAK Wilson a definit un sindrom familial de degenerare lenticulară progresivă asociată cu ciroza hepatică. Boala Wilson este acum recunoscută ca fiind o tulburare genetică autosomal recesivă caracterizată printr-un defect în excreția biliară a cuprului; cuprul se acumulează în ficat și în creier determinând alterarea structurii și funcției acestor organe (10). S-au realizat progrese considerabile în elucidarea caracteristicilor clinice, biochimice, genetice și histologice, precum și în managementul pacienților cu această boală. Clonarea genei bolii Wilson a accelerat înțelegerea bolii; cu toate acestea, aplicarea pe scară largă a screening-ului genetic nu a fost încă rezolvată. Gena bolii Wilson este distribuită în întreaga lume și a fost demonstrată la majoritatea raselor. Estimarea actuală a prevalenței este de ≈1:30 000 de născuți vii; frecvența genei variază între 0,3% și 0,7%, ceea ce corespunde unei rate de purtători heterozigoți de ≈1:100.

Alte exemple de toxicitate cronică a cuprului includ ciroza infantilă indiană și ciroza infantilă tiroleză (11, 12); aceste cazuri sunt legate de expunerea ridicată la cupru din cauza laptelui de origine animală depozitat sau încălzit în recipiente din cupru sau aliaj de cupru. Aporturile asociate cu ciroza sunt de obicei de 50-100 de ori mai mari decât cele pe care le primește un copil alăptat la sân; susceptibilitatea genetică poate contribui la explicarea riscului individual. Cuprul poate acționa în sinergie cu toxinele din mediu. Aceste apariții neobișnuite implică fie o expunere extrem de mare la cupru (11, 12), fie practici dietetice neconvenționale, cum ar fi administrarea de suplimente fără aprobare medicală. Ciroza infantilă asociată cu cupru este o afecțiune extrem de rară; pentru toxicoza idiopatică a cuprului, incidența estimată pe baza datelor prospective din Germania este de 1:500 000 până la 1:1 000 000 (13). Datele privind ciroza infantilă indiană din India relevă un declin dramatic al acestei afecțiuni ca urmare a evitării utilizării vaselor de cupru pentru depozitarea și încălzirea laptelui. Observații mai recente din districtul Pune, bazate pe internările în spital, relevă scăderi majore ale prevalenței; din 1974 nu a mai fost diagnosticat niciun caz (11). În concluzie, ciroza infantilă indiană/toxicoza idiopatică a cuprului este o boală cu etiologie necunoscută. Cea mai probabilă explicație pentru această afecțiune pare a fi o combinație între un defect determinat genetic în metabolismul cuprului și un aport ridicat de cupru. Contribuția relativă a fiecărui factor rămâne să fie determinată; managementul riscului în acest caz include sfaturi practice și diseminarea ghidurilor existente.

Toxicitatea pe termen lung a cuprului la expuneri moderat de ridicate a fost mai puțin studiată. Un studiu efectuat în 7 orașe din Massachusetts, cu un total de 64 124 ani-copil de expunere a copiilor cu vârsta sub 6 ani, cu concentrații de cupru în apa potabilă cuprinse între 8,4 și 8,8 mg/L, nu a evidențiat o prevalență mai mare a deceselor datorate bolilor hepatice (14) decât în orașele cu un nivel scăzut de cupru în apa potabilă. O evaluare sistematică a asocierii dintre bolile hepatice infantile și conținutul de cupru din apa potabilă în Regatul Unit nu a arătat nicio asociere între aceste variabile (15). Gama de aporturi acceptabile pentru a preveni deficiența și toxicitatea cuprului ar trebui să se bazeze pe protecția populațiilor sănătoase și nu ar trebui să se aștepte să satisfacă cerințele sau să prevină excesul persoanelor cu o susceptibilitate specială. Condițiile de boală sau alterările genetice în metabolismul cuprului care determină o sensibilitate specială pentru exces sau deficit merită atenția autorităților de sănătate publică pe baza relevanței acestor condiții în cadrul unui anumit cadru ecologic. Pragurile superioare și inferioare pentru intervalul de aporturi orale acceptabile sunt definite prin utilizarea unui model bazat pe populație pentru evaluarea riscurilor pentru sănătate asociate cu deficitul sau excesul. Pragul inferior ar trebui să fie suficient pentru a satisface cerințele majorității indivizilor din populație. În mod similar, pragul superior ar trebui să protejeze majoritatea indivizilor de riscul de toxicitate. Acest model homeostatic de evaluare a riscurilor, aplicabil elementelor esențiale, a fost propus de Programul internațional pentru siguranța chimică al Organizației Mondiale a Sănătății ca bază pentru evaluarea riscurilor elementelor esențiale (16).

EXPOZIȚIA LA CUPRUL ÎN EXCES

Expunerea populației la cupru se face în principal prin intermediul apei potabile și depinde de mai mulți factori: compoziția apei, timpul de contact stagnant între apă și țeavă, vechimea țevii, procedurile de instalare a țevilor din cupru, utilizarea țevilor din cupru în rețelele de distribuție a apei și obiceiurile de consum ale populației. Concentrația de cupru după transportul și distribuția apei într-o conductă de cupru depinde de compoziția chimică a apei, în principal de pH-ul și alcalinitatea acesteia. Alte variabile de compoziție, cum ar fi carbonul anorganic dizolvat, substanțele organice și alți compuși, joacă, de asemenea, un rol în eliberarea subproduselor de cupru (17, 18). În figura 1 este ilustrată distribuția cumulativă a expunerii la cupru din alimente și apă (linii întrerupte) în raport cu distribuțiile populației de nevoi fiziologice sau de cantități toxice reprezentate de curbele în formă de clopot.

Riscul de exces de cupru la populațiile umane aparent sănătoase poate fi emis ca ipoteză în condiții relativ rare de expunere. Acestea includ următoarele. 1) Populațiile expuse la un aport ridicat de cupru, adică subiecții care consumă apă care conține >5 mg Cu/L sau cei din populația generală cu un aport ridicat de cupru din alimente sau suplimente nutritive cu conținut ridicat de cupru, pot prezenta un risc de exces de cupru. Alimentele pot reprezenta >90% din aportul de cupru la adulți dacă apa are un conținut scăzut de cupru (<0,1 mg/L). În cazul în care conținutul de cupru din apă este mai mare (1-2 mg/L), acesta poate reprezenta până la 50% din aportul total. La sugarii care consumă formule artificiale suplimentate cu cupru, contribuția apei poate fi <10%, în timp ce, dacă formula nu este îmbogățită cu cupru, apa poate contribui cu >50% din aportul total de cupru, în special atunci când conținutul de cupru din apă este de 1-2 mg/L (19). Situația persoanelor care iau cupru ca supliment diferă; în literatura de specialitate există un raport de caz descris de O’Donohue et al. (20) al unui bărbat care, după ce a luat un supliment de 30 mg/zi timp de 2 ani și apoi 60 mg/zi în următorul an, un aport estimat de 600-900 μ g – kg-1 – d-1, a dezvoltat o insuficiență hepatică severă și a avut nevoie de un transplant de ficat pentru a supraviețui.

2) Bebelușii hrăniți cu lapte praf care consumă lapte praf care conține cupru și apă de la robinet care conține >2 mg/L pot, de asemenea, să depășească limita superioară a Organizației Mondiale a Sănătății de 150 μg – kg-1 – d-1. Cu toate acestea, un studiu controlat efectuat pe un grup de 100 de sugari sănătoși care au consumat aproape dublul acestei cantități timp de 1 an din apă cu 2 mg Cu/L nu a prezentat nicio dovadă biochimică sau clinică de probleme de sănătate (19). Studiile bazate pe populație din Germania nu au reușit, de asemenea, să demonstreze o legătură între expunerea la cupru din apă cu concentrații de ≈0,8 mg/L și dovezile clinice sau de laborator de anomalii hepatice (21).

3) În cele din urmă, grupurile de populație care pot avea o susceptibilitate mai mare la excesul de cupru ca urmare a defectelor genetice sau a interacțiunilor genă-nutrient, de exemplu, persoanele heterozigote pentru gena bolii Wilson, pot fi expuse riscului de exces de cupru (a se vedea B în figura 1). Acest grup poate reprezenta până la 1% din populația generală, având în vedere prevalența bolii Wilson în diferite regiuni geografice. Deocamdată, nu se știe dacă acești subiecți au o susceptibilitate crescută de a acumula cupru în condițiile unor expuneri considerate sigure pentru populația generală.

Datele privind siguranța pe termen lung a populațiilor normale sunt limitate, iar studiile prospective care controlează expunerea în timp sunt extrem de dificil de realizat. S-au efectuat studii controlate pe o perioadă de 3-6 luni care au evaluat răspunsurile la expunerea la 8-10 mg Cu/d (22, 23). Nivelurile superioare actuale pentru cupru sunt de 8-10 mg/zi; aceasta constituie limita la ceea ce poate fi evaluat din punct de vedere etic la oamenii normali. Astfel, este posibil să nu fie posibilă demonstrarea dovezilor de boală clasică, cu excepția cazului în care factorii genetici condiționează o susceptibilitate sporită. Markerii care să evalueze efectele timpurii ale acumulării excesive de cupru înainte de apariția oricăror modificări patologice ar putea permite evaluarea riscului într-o formă etică și validă. În cazul în care un astfel de marker ar fi disponibil, ar putea fi pus în aplicare un management eficient al riscului care să vizeze persoanele sau grupurile de populație susceptibile. Din nefericire, problema nu este rezolvată de markerii de expunere; este nevoie de biomarkeri specifici ai încărcăturii hepatice de cupru care ar putea prezice stocarea la niveluri compatibile cu ciroza hepatică. Chiar și markerii bolii subclinice ar fi inadecvați, deoarece odată ce procesul inflamator care duce la fibroză este declanșat, s-ar putea să fie prea târziu pentru acțiuni preventive.

CANTIFICAREA RISCULUI de supraîncărcare cu cupru

În prezent, singurul marker al supraîncărcării hepatice cu cupru este măsurarea în serie a conținutului de cupru efectuată în biopsiile hepatice. Conținutul normal de cupru hepatic variază între 15 și 55 μg/g de ficat uscat. Practic, toți pacienții netratați cu boala Wilson au concentrații hepatice de cupru ridicate, variind între 250 și 3000 μg/g ficat uscat. Constatarea unei concentrații normale de cupru hepatic exclude în mod eficient diagnosticul de boală Wilson netratată. Cu toate acestea, o concentrație hepatică crescută de cupru nu este suficientă pentru a stabili diagnosticul de boală Wilson, deoarece concentrații >250 μg/g pot fi găsite în alte afecțiuni hepatice cronice, inclusiv ciroza biliară primară, colangita sclerozantă primară, obstrucția sau atrezia biliară extrahepatică, hepatita cronică activă, colestaza intrahepatică a copilăriei și ciroza indiană a copilăriei. Un marker alternativ ar putea fi concentrația și nivelul de saturație a ceruloplasminei; din nefericire, acest indicator răspunde la un aport scăzut de cupru, dar nu reușește să crească în prezența unui exces de cupru. Concentrația serică normală a ceruloplasminei este de 200 până la 400 mg/L; deși concentrațiile sunt scăzute la nou-născuții umani, acestea cresc treptat în timpul primilor 2 ani de viață, coincizând cu scăderea postnatală a concentrației hepatice de cupru. Concentrațiile sunt sub intervalul normal la ≈90% din toți pacienții cu boala Wilson. Pot apărea dificultăți în ceea ce privește cei 10% dintre purtătorii heterozigoți ai genei pentru boala Wilson care manifestă concentrații serice diminuate de ceruloplasmină, dar care nu dezvoltă niciodată simptome sau semne clinice ale bolii. Aceste persoane, care reprezintă ≈1:2000 de persoane în populația generală, pot prezenta o dilemă diagnostică dificilă în cazul în care, în mod fortuit, dezvoltă hepatită sau ciroză secundară altor etiologii, imitând astfel caracteristicile clinice, biochimice și histologice ale bolii Wilson.

Studiile sistematice efectuate la om sugerează că consumul de băuturi sau apă potabilă cu un conținut de cupru mai mare de 5-6 mg/L determină greață, vărsături și diaree la >5% dintre cei expuși (24). Astfel, recomandarea actuală a Organizației Mondiale a Sănătății pentru apa potabilă a fost stabilită la 2 mg/L. Această cifră a fost considerată a fi sigură pentru expunerea cronică a populației, deoarece deocamdată nu există dovezi contrare, cu excepția pacienților cu boala Wilson (24). Cu toate acestea, un grup de experți al Academiei Naționale de Știință din SUA a cerut să examineze dacă limita americană de 1,3 mg Cu/L în apă ar putea fi ridicată la 2 mg/L, menținând nivelul existent, deoarece numai jumătate dintre experți au acceptat modificarea propusă (25, 26). Cealaltă jumătate a fost îngrijorată de potențialele efecte cronice asupra sănătății din cauza frecvenței incerte a susceptibilității genetice. Aceștia au considerat că până la 1% din populație era heterozigotă pentru gena bolii Wilson și, potențial, un alt 1% ar putea avea alte gene de susceptibilitate, de unde necesitatea de a defini efectul pe termen lung al acestui nivel de expunere la indivizii susceptibili genetic.

Chiar dacă am avea markerul perfect pentru boala Wilson, cu o putere de predicție de 100%, ar fi nevoie de un eșantion de dimensiuni mari pentru a demonstra prezența sau absența riscului cu o putere suficientă pentru a ghida acțiunea preventivă la nivelul populației. În tabelul 1 este prezentat riscul specific pentru diferite puncte finale clinice și subclinice potențiale și riscul global al populației de a avea orice efect măsurabil, luând în considerare diferite niveluri de expunere a populației pe baza modelului prezentat în figura 1. Efectele finale se bazează pe frecvențele cunoscute ale defectelor genetice care definesc o susceptibilitate crescută la niveluri de expunere mai mici. Este evident că, la expunerile obișnuite, ar fi extrem de rar să se găsească semne clinice sau chiar semne subclinice; astfel, singura măsură sensibilă pentru excesul de cupru ar fi indicii care prezic încărcarea ficatului cu cupru. De exemplu, dacă prevalența indivizilor heterozigoți este de 1%, iar toți cei care poartă o genă anormală au o acumulare excesivă de cupru în ficat, cu condiția să avem biomarkerul perfect, am avea nevoie de >3000 de subiecți pentru a demonstra cu o putere de 90% și o semnificație de 0,05 un risc relativ de 2:1 de a acumula exces de cupru în raport cu normalul. Dacă riscul relativ ar fi de 10:1, am avea nevoie de ceva mai puțini subiecți (27). Cu toate acestea, dacă am selectat ciroza hepatică ca rezultat relevant, am avea nevoie de între 100 000 și 500 000 de subiecți pentru a demonstra un risc relativ de 10:1 cu o putere de 90% și o semnificație de <0,05. Acest număr mare este necesar deoarece ciroza ar fi totuși destul de rară, poate cel mult 1 la 10 000, având în vedere că starea homozigotă se manifestă clinic, în medie, doar 1 la 30 000. Aceste numere ar fi și mai mari dacă doar o fracțiune din populație este expusă la nivelul dat de cupru (27).

CONCLUZII

Prevalența bolilor clinice și subclinice legate de excesul de cupru este extrem de scăzută; astfel, numărul de subiecți expuși necesar pentru a defini riscul este foarte mare (≈500.000). Riscul populației pentru excesul de cupru ar trebui să fie evaluat pe baza încărcării hepatice cu cupru ca rezultat potențial măsurabil, deoarece acesta este potențial mai frecvent. Provocarea este de a dezvolta biomarkeri pentru exces care să prezică riscul populației de a găsi un conținut de cupru hepatic de >250 μg/g greutate uscată a ficatului la un anumit nivel de expunere la cupru.

Contribuțiile autorilor au fost următoarele – RU și MA au revizuit subiectul, au conceptualizat problema și au scris articolul în comun; AM și RU au definit abordarea, ipotezele și calculele urmate în estimarea riscului populației de exces de cupru.

Autorii nu au avut conflicte directe de interese. S-a primit sprijin parțial din partea Asociației Internaționale a Cuprului.

FOOTNOTES