Askattning av risk från kopparöverskott i mänskliga populationer

ABSTRACT

Riskbedömning av näringsämnen förutsätter att det finns en enda population med en normalfördelning av index för behov och överskott. Toxiska nivåer är per definition intag över den övre nivån; när det gäller koppar, eftersom vi saknar icke-invasiva, känsliga biomarkörer för lagring eller tidig skada till följd av överskott, baseras överskott dock på den sällsynta förekomsten av klinisk sjukdom, t.ex. oförklarlig levercirros. Vi undersöker begränsningarna i detta tillvägagångssätt för koppar med tanke på den mycket låga förekomsten av klinisk och subklinisk sjukdom och föreslår att befolkningsrisken för kopparöverskott baseras på leverkopparbelastning som ett potentiellt kvantifierbart mått. Utmaningen framöver är att utveckla biomarkörer som förutsäger befolkningsrisken för förhöjda leverkopparförråd och därmed möjligheten till sjukdom i en befolkning.

INLEDNING

Traditionell riskbedömning av näringsbrist och överskott av näringsämnen utgår från en enda population med behov som följer en normalfördelning; på grundval av detta fastställs ett genomsnittligt behov och ett rekommenderat intag för att täcka en fast (97,5) procentuell andel av gruppen. En övre nivå definierar den övre delen av det intervall som anses vara säkert. Toxiska nivåer är per definition intag som ligger över den övre nivån. Vi undersöker begränsningarna av att tillämpa detta tillvägagångssätt på koppar med tanke på kända och potentiellt mottagliga populationer och föreslår en potentiell metod för att kvantifiera befolkningsrisken från kopparöverskott på grundval av tillgängliga uppgifter.

Beviset på koppars näringsmässiga väsentlighet för människor upprättas på grundval av förekomsten av koppar i kroppen, påvisandet av negativa effekter om koppar avlägsnas från kosten, och slutligen den gynnsamma effekten av att återföra koppar. Kopparhalten i hela kroppen hos vuxna är ≈80 mg (intervall: 50-120 mg), med de högsta koncentrationerna i lever och hjärna (5,1 respektive 6,3 μg/g våtvikt; 1, 2). Leverkoppar utgör den huvudsakliga lagringsformen, medan den höga halten i hjärnans basala ganglier förklaras av kopparens roll i ämnesomsättningen av neurotransmittorer. Patienter som får intravenös näring utan tillsats av mineraler utvecklar brist och uppvisar anemi och neutropeni inom några veckor efter kopparbrist, vilket reverseras genom tillförsel av koppar (2). Kopparbehovet och dess grund samt potentialen för brist och överskott presenteras i andra artiklar i denna bilaga.

Människor kan anpassa sig till överdriven kopparexponering från mat, vatten eller kosttillskott genom att minska den absorberade fraktionen när exponeringen ökar (3, 4). Vissa metaller och andra kostkomponenter stör kopparabsorptionen, medan protein och histidin ökar upptaget. Som påpekas i avsnittet i detta tillägg om tarmens kopparmetabolism är tarmen inte bara ansvarig för det reglerade kopparupptaget utan fungerar också som en plats för lagring, vilket förhindrar att överskott av koppar kommer in i portalblodet. Under normala förhållanden sker överföringen av koppar till levern i komplex med proteiner via portblodet. Koppar i enterocyten är huvudsakligen bundet till metallothionin. Om metallothioneinets lagringskapacitet av någon anledning överskrids denatureras metallothionein och förlorar därmed sin förmåga att binda koppar, vilket leder till celldöd. Detta är i själva verket ytterligare en potentiell skyddsmekanism i tarmen som utgör en första försvarslinje mot kopparöverskott (4, 5).

Kopparupptag från portalcirkulationen sker i de fenestrerade kapillärerna, vilket innebär att hepatocyter och Kupferceller exponeras för koppar. När koppar kommer in i hepatocyten via specifika transportörer (CTR1, ATP7A) tas det upp av specifika chaperoner som definierar metallens slutdestination i form av funktionella proteiner, av vilka cytokrom c-oxidas, superoxiddismutas och ceruloplasmin är de viktigaste. Överskott av koppar binds till metallothionin, medan den koppar som är nödvändig för ferroxidasaktivitet överförs till Golgi med motsvarande apo-ceruloplasmin för export till andra organ via den systemiska cirkulationen. Koppar utsöndras således från levern till den systemiska cirkulationen huvudsakligen bundet till ceruloplasmin eller bundet till små peptider. Det cellulära upptaget i vissa vävnader förmedlas av specifika ceruloplasminreceptorer på cellytan. Om det finns ett överskott av koppar i hepatocyterna translokeras ATP7B från Golgi till ett vesikulärt transportsystem som ansvarar för transporten och utsöndras i gallkanalen. Koppar kan också utsöndras till kanalikuli bundet till glutation eller lagras i lysosomer bundna till metallothionin eller lysosomala proteiner (6, 7). Den exakta fördelningen av koppar i dessa alternativa transportsystem är inte känd, men uppenbarligen induceras den lysosomala vägen för utsöndring endast i närvaro av överskott av leverkoppar. Biliär utsöndring är den huvudsakliga formen av koppareliminering hos människor och är den kritiska förebyggande faktorn som svar på hög exponering (7, 8). För att detta system ska fungera krävs inte bara närvaron av respektive kopparrelaterade proteiner och Golgi-derivat vesikulärt system utan även de cytoskeletala strukturella proteiner som är nödvändiga för sekretion i kanalikuli (7, 8). Detta invecklade, redundanta system förklarar svårigheten att framkalla kopparöverskott i levern; matematisk modellering av de biologiska reaktionerna hos de reglerande reaktionerna hos enterocyterna och leverns system för upptag, lagring och utsöndring, baserat på faktiska data, tyder på att friska människors förmåga att anpassa sig till kopparöverskott är minst 10 gånger större än det dagliga kopparbehovet (5-9). De homeostatiska uppgifterna förutsäger att leverlagren kommer att öka; om utsöndringsvägarna är intakta kommer dock gallutsöndringen att öka linjärt med exponeringar upp till 20-30 gånger det genomsnittliga behovet utan tecken på negativa effekter.

RISK FÖR KOPPERÖVERLÄGG

Det är >80 år sedan London neurologen SAK Wilson definierade ett familjärt syndrom med progressiv linsdegeneration i samband med levercirrhos. Wilsons sjukdom erkänns nu som en autosomalt recessiv genetisk sjukdom som kännetecknas av en defekt i kopparbiliär utsöndring; koppar ackumuleras i levern och hjärnan och orsakar förändrad struktur och funktion i dessa organ (10). Betydande framsteg har gjorts när det gäller att klarlägga de kliniska, biokemiska, genetiska och histologiska egenskaperna samt behandlingen av patienter med denna sjukdom. Kloningen av genen för Wilsons sjukdom påskyndade vår förståelse av sjukdomen, men en omfattande tillämpning av genetisk screening har ännu inte lösts. Genen för Wilsons sjukdom är spridd över hela världen och har påvisats i de flesta raser. Den nuvarande uppskattningen av prevalensen är ≈1:30 000 levande födda; genfrekvensen varierar mellan 0,3 % och 0,7 %, vilket motsvarar en heterozygot bärarefrekvens på ≈1:100.

Andra exempel på kronisk koppartoxicitet är indisk barncirrhos och tyrolsk barncirrhos (11, 12); dessa fall är relaterade till hög kopparexponering på grund av djurmjölk som förvaras eller värms upp i behållare av koppar eller kopparlegeringar. De intag som är förknippade med skrumplever är vanligtvis 50-100 gånger högre än vad ett ammande spädbarn får i sig. Genetisk känslighet kan bidra till att förklara den individuella risken. Koppar kan fungera i synergi med miljögifter. Dessa ovanliga händelser innebär antingen extremt hög exponering för koppar (11, 12) eller okonventionella kostvanor, t.ex. intag av kosttillskott utan medicinskt godkännande. Kopparassocierad infantil cirros är ett extremt sällsynt tillstånd; för idiopatisk koppartoxikos är den uppskattade incidensen baserad på prospektiva data från Tyskland 1:500 000 till 1:1 000 000 000 (13). Uppgifterna om indisk barncirrhos från Indien visar en dramatisk minskning av detta tillstånd till följd av att man undviker kopparkärl för lagring och uppvärmning av mjölk. Nyare observationer från Pune-distriktet baserade på sjukhusintag visar att prevalensen har minskat kraftigt; inga fall har diagnostiserats sedan 1974 (11). Sammanfattningsvis är indisk barncirrhos/idiopatisk koppartoxikos en sjukdom med okänd etiologi. Den mest sannolika förklaringen till detta tillstånd verkar vara en kombination av en genetiskt betingad defekt i kopparmetabolismen och ett högt kopparintag. Det relativa bidraget från varje faktor återstår att fastställa; riskhanteringen i detta fall omfattar praktiska råd och spridning av befintliga riktlinjer.

Långtidstoxiciteten hos koppar vid måttligt hög exponering har undersökts i mindre utsträckning. En studie som utfördes i 7 städer i Massachusetts med totalt 64 124 barnår av exponering av barn under 6 år, med kopparkoncentrationer i dricksvattnet som varierade från 8,4 till 8,8 mg/L, visade inte på en högre prevalens av dödsfall på grund av leversjukdom (14) än i städer med låg kopparhalt i dricksvattnet. En systematisk utvärdering av sambandet mellan leversjukdomar hos barn och kopparhalten i dricksvattnet i Förenade kungariket visade inget samband mellan dessa variabler (15). Det acceptabla intaget för att förebygga kopparbrist och koppartoxicitet bör baseras på skyddet av friska befolkningar och bör inte förväntas uppfylla kraven eller förhindra överskott hos individer med särskild känslighet. Sjukdomstillstånd eller genetiska förändringar i kopparmetabolismen som bestämmer särskild känslighet för över- eller underskott förtjänar folkhälsomyndigheternas uppmärksamhet på grundval av dessa förhållandens relevans i en given ekologisk miljö. De övre och undre gränsvärdena för det acceptabla orala intaget definieras med hjälp av en befolkningsbaserad modell för bedömning av de hälsorisker som är förknippade med brist eller överskott. Den nedre gränsen bör vara tillräcklig för att tillgodose behoven hos de flesta individer i befolkningen. På samma sätt bör den övre gränsen skydda de flesta individer från risken för toxicitet. Denna homeostatiska riskbedömningsmodell som är tillämplig på essentiella grundämnen har föreslagits av Världshälsoorganisationens internationella program för kemikaliesäkerhet som grund för riskbedömning av essentiella grundämnen (16).

EXPOSITION FÖR ÖVERLUTNING AV KOPPER

Befolkningens exponering för koppar sker huvudsakligen via dricksvatten och beror på flera faktorer: vattnets sammansättning, den stillastående kontakttiden mellan vattnet och röret, rörets ålder, installationsrutinerna för kopparrör, användningen av kopparrör i vattendistributionsnätverk samt befolkningens dricksvanor. Kopparkoncentrationen efter vattentransport och vattendistribution i ett kopparrör beror på vattnets kemiska sammansättning, främst dess pH-värde och alkalinitet. Andra sammansättningsvariabler som löst oorganiskt kol, organiska ämnen och andra föreningar spelar också en roll för avgivningen av kopparbiprodukter (17, 18). I figur 1 illustreras den kumulativa fördelningen av kopparexponering från livsmedel och vatten (streckade linjer) i förhållande till befolkningens fördelning av fysiologiska behov eller av toxiska mängder som representeras av de klockformade kurvorna.

Risk för kopparöverskott i till synes friska mänskliga populationer kan hypotetiseras under relativt sällsynta exponeringsförhållanden. Dessa innefattar följande. 1) Populationer som utsätts för högt kopparintag, dvs. personer som konsumerar vatten som innehåller >5 mg Cu/L eller personer i den allmänna befolkningen med högt intag av koppar från livsmedel eller näringstillskott med hög kopparhalt, kan löpa risk för kopparöverskott. Livsmedel kan stå för >90 % av kopparintaget hos vuxna om vattnet har låg kopparhalt (<0,1 mg/L). Om vattnets kopparhalt är högre (1-2 mg/L) kan det stå för upp till 50 % av det totala intaget. Hos spädbarn som konsumerar kopparberikad konstgjord modersmjölksersättning kan vattnets bidrag vara <10 %, medan om modersmjölksersättningen inte är berikad med koppar kan vattnet bidra med >50 % av det totala kopparintaget, särskilt om vattnets kopparhalt är 1-2 mg/L (19). Det finns en fallrapport i litteraturen som beskrivs av O’Donohue et al (20) om en man som efter att ha tagit ett tillskott på 30 mg/dygn i två år och sedan 60 mg/dygn under det följande året, ett beräknat intag på 600-900 μ g – kg-1 – d-1, utvecklade allvarlig leversvikt och behövde en levertransplantation för att överleva.

2) Formulamodlade spädbarn som konsumerar pulveriserad modersmjölksersättning som innehåller koppar och kranvatten som innehåller >2 mg/L kan också överskrida Världshälsoorganisationens övre gräns på 150 μg – kg-1 – d-1. En kontrollerad studie med en grupp på 100 friska spädbarn som konsumerade nästan dubbelt så mycket under 1 år från vatten med 2 mg Cu/L gav dock inga biokemiska eller kliniska tecken på hälsoproblem (19). Befolkningsbaserade studier i Tyskland kunde inte heller påvisa något samband mellan kopparexponering från vatten med koncentrationer på ≈0,8 mg/L och kliniska eller laboratoriemässiga tecken på leveravvikelser (21).

3) Slutligen kan befolkningsgrupper som kan vara mer mottagliga för kopparöverskott till följd av genetiska defekter eller interaktioner mellan gener och näringsämnen, t.ex. personer som är heterozygota för genen för Wilsons sjukdom, löpa risk för kopparöverskott (se B i figur 1). Denna grupp kan utgöra upp till 1 % av den allmänna befolkningen med tanke på förekomsten av Wilsons sjukdom i olika geografiska områden. För närvarande är det fortfarande okänt om dessa personer har en ökad känslighet för att ackumulera koppar under exponeringar som anses vara säkra för den allmänna befolkningen.

Långsiktiga säkerhetsdata för normala populationer är begränsade, och prospektiva studier som kontrollerar exponeringen över tiden är extremt svåra att genomföra. Kontrollerade studier över 3-6 månader har genomförts för att bedöma reaktioner på exponering för 8-10 mg Cu/d (22, 23). De nuvarande övre nivåerna för koppar är 8-10 mg/d; detta utgör gränsen för vad som etiskt sett kan bedömas hos normala människor. Det är därför kanske inte möjligt att påvisa bevis för klassisk sjukdom om inte genetiska faktorer villkorar ökad känslighet. Markörer för att bedöma tidiga effekter av överdriven ackumulering av koppar innan några patologiska förändringar inträffar kan göra det möjligt att bedöma risken på ett etiskt och giltigt sätt. Om en sådan markör fanns tillgänglig skulle en effektiv riskhantering med inriktning på mottagliga individer eller befolkningsgrupper kunna genomföras. Tyvärr kan problemet inte lösas med hjälp av exponeringsmarkörer, utan det behövs specifika biomarkörer för kopparbelastning i levern som kan förutsäga lagring på nivåer som är förenliga med levercirrhos. Även markörer för subklinisk sjukdom skulle vara otillräckliga, eftersom när den inflammatoriska process som leder till fibros väl har utlösts kan det vara för sent för förebyggande åtgärder.

Kvantifiering av risken för överbelastning med koppar

För närvarande är den enda markören för överbelastning med koppar i levern den seriella mätning av kopparhalten som utförs i leverbiopsier. Det normala kopparinnehållet i levern varierar mellan 15 och 55 μg/g torr lever. Så gott som alla obehandlade patienter med Wilsons sjukdom har förhöjda leverkopparkoncentrationer, som varierar mellan 250 och 3000 μg/g torr lever. Om man finner en normal kopparkoncentration i levern utesluter man effektivt diagnosen obehandlad Wilsons sjukdom. En förhöjd kopparkoncentration i levern är dock i sig otillräcklig för att fastställa diagnosen Wilsons sjukdom, eftersom koncentrationer >250 μg/g kan påträffas vid andra kroniska leversjukdomar, inklusive primär biliär cirros, primär skleroserande kolangit, extrahepatisk biliär obstruktion eller atresi, kronisk aktiv hepatit, intrahepatisk kolestas i barndomen och indisk barndomscirrhos. En alternativ markör skulle kunna vara koncentrationen och mättnadsgraden av ceruloplasmin; tyvärr reagerar denna indikator på ett lågt kopparintag men ökar inte i närvaro av överskott av koppar. Den normala serumkoncentrationen av ceruloplasmin är 200-400 mg/L. Även om koncentrationerna är låga hos nyfödda människor ökar de gradvis under de första två levnadsåren, vilket sammanfaller med den postnatala minskningen av hepatisk kopparkoncentration. Koncentrationerna ligger under det normala intervallet hos ≈90 % av alla patienter med Wilsons sjukdom. Svårigheter kan uppstå när det gäller de 10 % heterozygota bärare av genen för Wilsons sjukdom som uppvisar minskade serumkoncentrationer av ceruloplasmin men aldrig utvecklar kliniska symtom eller tecken på sjukdomen. Dessa personer, som utgör ≈1:2000 personer i den allmänna befolkningen, kan utgöra ett svårt diagnostiskt dilemma om de av en slump utvecklar hepatit eller cirros sekundärt till andra etiologier och därmed efterliknar de kliniska, biokemiska och histologiska dragen av Wilsons sjukdom.

Systematiska studier på människor tyder på att konsumtion av drycker eller dricksvatten med koppar i över 5-6 mg/L resulterar i illamående, kräkningar och diarré hos >5 % av de exponerade (24). Därför har Världshälsoorganisationens nuvarande riktlinje för dricksvatten fastställts till 2 mg/L. Denna siffra ansågs vara säker för kronisk exponering av befolkningen, eftersom det för närvarande inte finns några bevis för motsatsen, förutom för patienter med Wilsons sjukdom (24). En expertgrupp inom US National Academy of Science bad dock att undersöka om USA:s gränsvärde på 1,3 mg Cu/L i vatten kunde höjas till 2 mg/L som behöll den nuvarande nivån, eftersom endast hälften av experterna accepterade den föreslagna ändringen (25, 26). Den återstående hälften var oroade över potentiella kroniska hälsoeffekter på grund av den osäkra frekvensen av genetisk känslighet. De ansåg att upp till 1 % av befolkningen var heterozygot för genen för Wilsons sjukdom och att potentiellt ytterligare 1 % kunde ha andra mottaglighetsgener, vilket gör att det finns ett behov av att definiera den långsiktiga effekten av denna exponeringsnivå hos genetiskt mottagliga individer.

Även om vi hade den perfekta markören för Wilsons sjukdom, med 100 % förutsägelseförmåga, skulle det krävas en stor stickprovsstorlek för att kunna påvisa förekomst eller avsaknad av risk med tillräcklig styrka för att vägleda förebyggande åtgärder på befolkningsnivå. I tabell 1 visas den specifika risken för olika potentiella kliniska och subkliniska endpoints och den totala populationsrisken för någon mätbar effekt med hänsyn till olika exponeringsnivåer för befolkningen baserat på den modell som presenteras i figur 1. Slutpunkterna baseras på kända frekvenser av genetiska defekter som ger ökad känslighet vid lägre exponeringsnivåer. Det är uppenbart att det vid vanliga exponeringar skulle vara ytterst sällsynt att finna kliniska tecken eller ens subkliniska tecken. Det enda känsliga måttet på kopparöverskott skulle därför vara index som förutsäger kopparbelastning i levern. Om t.ex. prevalensen av heterozygota individer är 1 % och alla som bär på en onormal gen har överdriven kopparackumulering i levern, skulle vi, förutsatt att vi hade den perfekta biomarkören, behöva >3000 försökspersoner för att med 90 % effekt och en signifikans på 0,05 påvisa en relativ risk på 2:1 för att ackumulera ett överskott av koppar i förhållande till det normala. Om den relativa risken var 10:1 skulle vi behöva något färre försökspersoner (27). Om vi valde levercirros som relevant utfall skulle vi dock behöva mellan 100 000 och 500 000 försökspersoner för att påvisa en relativ risk på 10:1 med 90 % effekt och en signifikans på <0,05. Detta stora antal behövs eftersom cirros fortfarande skulle vara ganska sällsynt, kanske högst 1 per 10 000, med tanke på att homozygottillstånd i genomsnitt bara visar sig kliniskt i 1 av 30 000. Dessa siffror skulle vara ännu större om endast en bråkdel av befolkningen exponeras för den givna kopparnivån (27).

KONKLUSIONER

Prevalensen av klinisk och subklinisk sjukdom relaterad till kopparöverskott är extremt låg; därför är antalet exponerade personer som krävs för att definiera risken mycket högt (≈500 000). Befolkningsrisken för kopparöverskott bör bedömas på grundval av hepatisk kopparbelastning som ett potentiellt mätbart resultat, eftersom detta är potentiellt mer frekvent. Utmaningen är att utveckla biomarkörer för överskott som förutsäger befolkningsrisken för att hitta ett leverkopparinnehåll på >250 μg/g levertorrvikt vid en given kopparexponeringsnivå.

Författarnas bidrag var följande: RU och MA granskade ämnet, konceptualiserade problemet och skrev artikeln gemensamt; AM och RU definierade tillvägagångssättet, antagandena och de beräkningar som följdes vid uppskattningen av befolkningsrisken för kopparöverskott.

Författarna hade inga direkta intressekonflikter. Delvis stöd erhölls från International Copper Association.

FOOTNOTER