Toxikológia metalotioneínu a kadmia — historický prehľad a komentár Ⅱ
Dec 19, 2023
4. Toxicita kadmia a jeho modulácia metalotioneínmi
Ako už bolo spomenuté v úvode, klinickí lekári najskôr pozorovali toxické účinky Cd zlúčenín. V roku 1858 Sovet hlásil [1], že respiračné a gastrointestinálne symptómy sa vyskytli u osôb používajúcich leštiaci prostriedok obsahujúci Cd. Neskoršie publikácie opisujú toxické účinky na obličky, pečeň a kostru, ako aj reprodukčnú toxicitu a rakovinu u ľudí a zvierat (prehľad v [3]). Cd sa viaže na MT vo všetkých tkanivách (časť2) anežiaduce účinky v pľúcach, kostra,pečene a obličiek, ako aj rakoviny [3,19] sú pravdepodobne modifikované väzbou na metalotioneíny. Štúdií takýchto ochranných účinkov v iných tkanivách ako v pečeni a obličkách je však málo.
4.1. Pečeňová toxicita kadmia - Úloha metalotioneínov
Piscator 1964 [5] ukázal, že Cd sa viaže na MT v pečeni zvierat opakovane vystavených malým dávkam Cd. Navrhol ochrannú úlohu MT pre tkanivovú toxicitu. Ako je uvedené v časti 3.3, soli Cd podávané pokusným zvieratám v jednej veľkej dávke idú primárne do pečene, kde spôsobujú poškodenie. Wisniewska-Knypl a Jablonska 1970 [53] a Nordberg et al., 1971 [8] ukázali, že Cd sa viaže na MT v pečeni zvierat exponovaných Cd, a navrhli, že väzba poskytne ochranu pred toxicitou. Po jednej veľkej dávke Cd došlo k toxicite pečene a väzba MT v pečeňovom tkanive sa objavila až niekoľko dní po podaní dávky [8]. Keď boli zvieratá vopred ošetrené malými dávkami kadmia a potom im bola podaná veľká dávka, nedošlo k pečeňovej toxicite a Cd sa viazalo na MT [8]. Goering a Klaassen 1984 [54] ukázali, že rezistencia voči hepatotoxicite bola spôsobená vopred syntetizovaným MT. Tieto skoré štúdie o úlohe MT pri ochrane pečene boli neskôr sledované a rozšírené o podrobné biochemické a morfologické výskumy, zhrnuté v Sabolic et al., 2010 [43]. Avšak zatiaľ čo pečeňová toxicita sa vyskytuje u pokusných zvierat, ktorým boli podávané porovnateľne veľké dávky Cd, u ľudí sa často nezisťuje, pretože väčšina expozícií prebieha nižším dávkam počas dlhšieho časového obdobia. Nasledujúca časť sa zameriava na toxicitu obličiek od robličkové účinkydlho boli a stále sú považované za kritické účinky pri dlhodobých expozíciách Cd [19].
EXTRAKT CISTANCHE S 25 % ECHINAKOZIDU A 9 % AKTEOZIDU NA OBLIČKY
4.2. Toxicita kadmia v obličkách – Úloha metalotioneínov a ich obsah Cd/Zn
Po jednorazovej vysokej dávke Cd sa prejavia toxické účinky v reprodukčných orgánoch a pečeni. Jeden alebo niekoľko dní po jednorazovej dávke u zvierat sa zvýšený podiel pečeňového Cd viaže na metalotioneíny, najmä MT-1 a MT-2 [8,55]. Ako je uvedené v časti 3.3, Cd viazané na MT sa uvoľňuje z pečene do krvnej plazmy a následne sa filtruje cez glomerulárnu membránu v obličkách. Z glomerulárneho filtrátu je Cd-MT vychytávaný proximálnymi renálnymi tubulmi (obrázok 2). V tubulárnych bunkách CdMT vstupuje do lyzozómov [56], kde sa ióny Cd uvoľňujú z MT a dostávajú sa do ďalších subcelulárnych organel Neskoršie zistenia zhrnul Sabolic 2010 [43]. Uvoľnené ióny Cd spôsobujú poškodenie renálnych tubulov, ak ochranný MT nie je dostupný na viazanie uvoľneného Cd. Injikovaná bolusová dávka CdMT u zvierat bez predchádzajúcej expozície kadmiu spôsobí poškodenie obličkových tubulov pri koncentrácii 9 ug/g vlhkej hmotnosti v celej obličke. čo zodpovedá hladine kôry obličiek 11 ug/g, ako sa ukázalo v roku 1975 [57]. Na vyvolanie renálneho tubulárneho poškodenia u zvierat s dlhodobou expozíciou kadmiu sú potrebné oveľa vyššie hladiny tkaniva, napríklad v štúdiách Nordberg a kol., 1971 [8] a Nordberg a Piscator 1972 [58], tubulárna toxicita v obličky sa neobjavili, kým koncentrácia v celej obličke nedosiahla 130–170 µg/g. Nordberg et al., 1975 [57] navrhli vysvetlenie rôznych tkanivových hladín súvisiacich s toxicitou. Po jedinej injekcii CdMT spôsobí rýchly transport a absorpcia CdMT v obličkových tubuloch intracelulárne uvoľnenie značného množstva iónov Cd, pretože sa uvoľňujú z MT, keď je proteín degradovaný. Takéto uvoľňovanie spôsobuje renálnu tubulárnu toxicitu pri relatívne nízkych hladinách Cd v celom tkanive. Tieto hladiny (cca 10 ug/g tkaniva) by boli minimálne hladiny v kôre obličiek pre tubulárne poškodenie Cd. Pri dlhodobých expozíciách; vyššie hladiny celkového tkanivového Cd sú tolerované, pretože je čas na lokálnu syntézu MT, ktorá sekvestruje ióny Cd. Pri dlhodobých expozíciách tubulárnepoškodenie obličieksa vyskytuje na ešte vyšších úrovniach tkaniva, keď sa dosiahne maximálna úroveň lokálnej syntézy MT. Potom bude sekvestračná činnosť MT nedostatočná. Nordberg a kol., 1994 [59] tiež preukázali ochranný účinok tkanivaMT v obličkáchsekvestrovanie Cd z citlivých membránových väzbových miest v obličkových tubuloch zvierat, ktorým bol podaný CdMT. Ďalší vedci následne potvrdili tieto zistenia [41,42] u MT nulových myší. U takýchto myší je akumulácia Cd v obličkách obmedzená a pretože neexistuje žiadna MT-ochranaobličkové tkanivo,poškodenie obličieksa vyskytuje pri nízkych tkanivových hladinách (pozri tiež [60]).
Štúdie Elindera a kol. (1987) [61] zvierat exponovaných Cd (s intaktnou syntézou MT) preukázali, že vo frakciách MT (MT-1 a MT-2) izolovaných z obličiek gélovou chromatografiou je molárny kvocient Cd/Zn sa zvyšuje so zvyšujúcou sa hladinou MT v obličkovom tkanive (obrázok 3). Hladina MT je úmerná hladine Cd v tkanive a kumulatívnej expozícii Cd. K zmene kvocientu Cd/Zn dochádza, pretože Cd sa viaže silnejšie na SH skupiny v MT ako Zn. Cd tak nahrádza Zn v proteíne. Keď je kvocient Cd/Zn v MT nízky, bunkám sa ponúka ochrana pred toxicitou Cd. Keď sa zvýši kvocient Cd/Zn, je k dispozícii menej miest Zn, s ktorými môže Cd interagovať, a ochrana je menej účinná. Pri 0,1 mmol MT, tj 0,5 mmol Cd (55 mg Cd/kg) v kôre obličiek je ochrana narušená a zvyšuje sa náchylnosť na tubulárnu dysfunkciu. Keď je kvocient Cd/Zn 6, tj 6 zo 7 väzobných miest kovov v MT je obsadených Cd, došlo u všetkých zvierat k dysfunkcii obličiek (pri 0,4–0,5 mmol MT Obrázok 3). MT s takmer všetkými väzbovými miestami obsadenými Cd nemôže viazať viac Cd a sekvestračná funkcia MT je vyčerpaná. Zistenia ukazujú, ako MT pôsobí pri bunkovej ochrane proti Cd. Tieto zistenia vysvetľujú, prečo existuje ochrana až do špecifickej kritickej koncentrácie v renálnych tubulárnych bunkách. Keď sa celkové bunkové koncentrácie Cd zvýšia nad túto úroveň, objavia sa toxické účinky v dôsledku interferencie Cd s enzýmami závislými od Zn a membránovými funkciami [62,63]. Tieto zistenia podporujú model (obrázok 2), že CdMT po absorpcii do renálnych tubulárnych buniek a prenose do lyzozómov uvoľňuje Cd, ktorý interferuje s bunkovou funkciou [56,59,64]. Niektoré dôkazy [65] naznačujú úlohu transportéra zinku ZIP8 pri expresii renálnej toxicity Cd. Reaktívne formy kyslíka sa tvoria, keď Cd prejavuje svoje toxické účinky na renálne tubulárne bunky [66], ale nevieme presne, ako rôzne udalosti ovplyvňujú výsledok. Existujú však dôkazy u ľudí vystavených pôsobeniu Cd počas dlhých časových období, že tubulárna proteinúria sa rozvinie, keď koncentrácia Cd v kôre obličiek prekročí 80–200 mg/kg [3,19,67]. Hoci by malo byť možné použiť informácie o biochemických cestách na spresnenie kvantitatívnych hodnotení rizika, takéto prepracované modely ešte nie sú k dispozícii. Vysvetľujúci model na obrázku 2 zostáva platný, aj keď nepopisuje podrobné molekulárne dráhy nedávno objavené (pozri vyššie a prehľady [11,43]). Okrem toho je dôležitý stav Zn, pretože pravdepodobne ovplyvňuje pravdepodobnosť, že Cd nahradí Zn v MT, a pravdepodobnosť, že Cd bude interferovať s citlivými molekulárnymi intracelulárnymi cieľmi. Dôležitosť statusu Zn bola zdokumentovaná u ľudí [68], ktorí sa zdržiavali v oblasti Číny kontaminovanej kadmiom. Pri porovnateľných expozíciách Cd mali osoby s dobrým stavom zinku výrazne nižšiu prevalenciu renálnej tubulárnej dysfunkcie v porovnaní s osobami s nízkym sérovým a vlasovým Zn.
Obrázok 3. Relatívne koncentrácie (v percentách) Cd (plné krúžky), Zn (prázdne krúžky) a medi (čierne bodky) vo frakciách MT vo vzťahu k celkovej koncentrácii MT. MT bol izolovaný z obličiek králikov s rôznou expozíciou Cd [61].
4.3. Štúdie kadmia a metalotioneínu u ľudí
4.3.1. Metalotioneín v moči ako biomarker dysfunkcie obličiek
Ako je uvedené v časti 3.4, veľká časť Cd v moči sa viaže na MT [31,45,69]. Pretože dysfunkcia obličkových tubulov znamená nedostatočnú reabsorpciu všetkých nízkomolekulových bielkovín (vrátane MT) z primárneho moču, dôjde k zvýšenému vylučovaniu týchto bielkovín močom. Autori, ktorí ukázali, že Cd sa viaže na MT v moči, tiež ukázali, že osoby exponované Cd s tubulárnou dysfunkciou vylučujú viac MT v moči ako osoby neexponované Cd. V epidemiologickej štúdii Shaikh et al., 1990 [70] zahrnuli 3 168 mužov a žien v kadmiom znečistenej oblasti Japonska a zistili zvýšené vylučovanie metalotioneínu u pacientov s renálnou tubulárnou dysfunkciou vyvolanou Cd. Zvýšené vylučovanie MT močom v súvislosti s výskytom renálnej dysfunkcie súvisiacej s Cd sa zistilo aj u pracovníkov exponovaných kadmiu [46] au osôb s diabetom 2. typu [47].
4.3.2. Expresia génu metalotioneínu v periférnych lymfocytoch - biomarker citlivosti tkaniva na toxicitu kadmia
Predchádzajúci text zhodnotil dôkazy, ktoré ukazujú, že MT slúži ako účinný intracelulárny lapač kadmia, ktorý znižuje jeho toxicitu väzbou Cd v mnohých tkanivách (prehľady [60,71]). Štúdie na zvieratách a ľuďoch vystavených Cd ukazujú syntézu MT indukovanú Cd v pečeni a obličkách. In vitro expozíciou Cd lymfocytov periférnej krvi (PBL) sa merala indukovateľnosť MT a MTmRNA pomocou RT PCR (tj expresia génu MT (MT-GE) [72]. Takéto merania vykonali Lu et al. [72] a skúmali ich možné využitie ako biomarker všeobecnej detoxikácie tkaniva pomocou MT. Prijali pracovníkov s expozíciou Cd v provincii Guangxi v Číne. Okrem meraní MT-GE štúdie prác zahŕňali aj Cd v moči ako biomarker expozície a NAG v moči (UNAG) ako biomarker účinku. Výsledky ukázali zvýšenú hladinu NAG v moči (UNAG) v súvislosti so zvýšenými hladinami Cd v moči. Pracovníci s vysokými hladinami MTmRNA v PBL mali nižšie hladiny NAG v moči ako pracovníci s nízkym Hladiny MTmRNA v PBL [72] pri porovnaní s podobnými hladinami UCd. Tieto výsledky podporujú hypotézu, že indukovaná hladina MTmRNA v PBL odráža hladinu expresie MT v PBL aj v obličkovej kôre. MT-GE v PBL, teda môže použiť ako biomarker citlivosti tkaniva na toxicitu kadmia.
Ďalšia štúdia zahŕňala skupinu z bežnej populácie [73]. Štúdie farmárov v oblasti znečistenej Cd v Číne zahŕňali merania MT-GE v PBL pri porovnateľných hladinách UCd, pričom farmári s vysokým MT-GE vylučovali menej NAG močom ako farmári s nízkym MT-GE (rozdiel štatisticky významný pri UCd > 1 0µg/g Crea p < 0,001).
Uvedené štúdie na pracovníkoch a farmároch vystavených Cd ukazujú, že MT-GE v PBL môže byť použitý ako biomarker citlivosti na toxicitu Cd. Avšak in vitro ošetrenie Cd čerstvých PBL je náročnou požiadavkou v terénnych štúdiách. Je potrebné vyvinúť metódy vhodnejšie pre terénne štúdie a tieto metódy by mali byť štandardizované, aby boli výsledky porovnateľné medzi laboratóriami [74]. Hoci boli skúmané skupiny vystavené pôsobeniu povolania [75], zatiaľ nie sú k dispozícii rozsiahle populačné štúdie.
4.3.3. Autoprotilátky proti MT v krvnej plazme - Biomarker citlivosti na nefrotoxicitu kadmia
Jin a kol. [76] zistili vysokú frekvenciu zvýšených hladín protilátok proti MT v sére pacientov s alergiou na kovy. Toto zistenie podnietilo náš záujem o možnosť, že takéto protilátky môžu interferovať s ochranou MT v tkanivách zvierat a ľudí. Toto bol všeobecný základ pre nasledujúce štúdie: Chen a kol., 2006 [46] merali autoprotilátky proti MT (MTab) v krvnej plazme pomocou ELISA. U pracovníkov v hutách a kontrol v provincii Hunan v Číne sme merali MTab v krvnej plazme, UCd, UNAG a UB2M (močový beta-2-mikroglobulín). Boli zvýšené hladiny MTab v súvislosti so zvýšeným UNAG alebo UB2M. Pri porovnateľných hladinách UCd bol pomer pravdepodobnosti 4,2 (CI 1,2–14) pre tubulárnu dysfunkciu u osôb so zvýšenými hladinami MTab v porovnaní s osobami s nízkymi hladinami MTab.
Experimenty na zvieratách a epidemiologické štúdie poskytujú dôkaz, že diabetes spôsobuje zvýšenú citlivosť na rozvoj dysfunkcie obličiek súvisiacej s Cd [77,78] prehľad v [3]. Chen a kol. [47] vykonali štúdiu o úlohe MTab pri rozvoji renálnej tubulárnej dysfunkcie u diabetikov v čínskom Šanghaji s diabetom 2. typu. Merania zahŕňali MTab v krvnej plazme, UCd, UNAG, UALB (močový albumín), UB2M a množstvo premenných pozadia. UCd bola 0.{11}}5 – 4,17, GM 0,38 ug/g krea. Vyskytli sa štatisticky významné zvýšenia UNAG a UB2M vo vzťahu k UCd a štatisticky významne vyšší pomer pravdepodobnosti tubulárnej dysfunkcie medzi pacientmi s vysokou MTab oproti nízkej MTab.
Stručne povedané, štúdie preukázali, že medzi pracovníkmi a diabetikmi boli zvýšené hladiny MTab spojené s vyššou prevalenciou dysfunkcie tubulárnych obličiek v porovnaní s tými, ktorí mali nižšie hladiny MTab. MTab v krvnej plazme je teda biomarkerom náchylnosti k rozvoju tubulárnej dysfunkcie súvisiacej s Cd. Nepoznáme podrobný mechanizmus za týmto účinkom, ale pravdepodobne odráža interferenciu s ochranou tkaniva MT.
5. Záverečné poznámky
Nežiaduce účinky Cd na zdravie u ľudí boli prvýkrát zaznamenané pred 160 rokmi a nízkomolekulárny proteín viažuci Cd metalotioneín (MT) bol objavený pred viac ako 60 rokmi. Tento prehľad zhrnul dostupné dôkazy o úlohe MT v toxikológii kadmia pri hodnotení rizika. Zamerala sa na naše vlastné zistenia zo 70. rokov 20. storočia a ďalej a komentovala ďalšie zistenia vo vzťahu k relevantnosti a použiteľnosti pri hodnotení rizík. Boli predložené dôkazy podporujúce schému (obrázok 2) vysvetľujúcu kinetiku Cd a interakcie s renálnymi cieľmi pri vyvolaní tubulárneho poškodenia v obličkách. Biomarkery, ako je expresia génu MT v lymfocytoch periférnej krvi a protilátky proti MT v krvnej plazme, boli vyvinuté v posledných dvadsiatich rokoch (časť 4), aby sa použili na spresnenie epidemiologických štúdií a na pomoc pri hodnotení rizika. Podľa našich vedomostí je však použitie týchto biomarkerov v súčasnosti veľmi obmedzené. Poznamenávame, že naša vysvetľujúca schéma pre toxikokinetiku a toxikodynamiku kadmia v obličkách (obrázok 2) je stále všeobecne akceptovaná a tento toxikokinetický a toxikodynamický model sa úspešne používa na kvantitatívne výpočty rizík renálnej dysfunkcie vo vzťahu k expozícii Cd. Takéto výpočty poskytujú cenný pohľad na zistenia v epidemiologických štúdiách (časť 3.5). Zdá sa, že existujú možnosti použiť viac dostupných dôkazov pri hodnotení rizika, napríklad použiť biomarkery súvisiace s MT a vziať do úvahy vplyv stavu Zn (časť 4.1). Aj bez takýchto spresnení hodnotenia rizika je zrejmé, že veľmi nízke hladiny expozície Cd spôsobujú nepriaznivé účinky na obličky a iné orgány u ľudí. Čiastočne na základe dôkazov zhrnutých v tomto prehľade sa uznáva, že súčasné pracovné limitné hodnoty pre Cd v krajinách s vysokým a stredným príjmom sú často vyššie, ako sa požaduje. Opatrenia pre nižšie hodnoty prebiehajú napríklad v EÚ. V niektorých krajinách s nízkymi a nižšími strednými príjmami, kde prebieha remeselná ťažba v malom meradle, sú nadmerne vystavené Cd a iným kovom a je tu naliehavá potreba zlepšiť podmienky. To je veľmi dôležité v súčasnosti, keď celosvetovo rastie dopyt po kovoch na boj proti klimatickým zmenám. Dúfame, že aplikácia poznatkov zhrnutých v tomto prehľade pomôže zlepšiť hodnotenie rizík a podmienok pre skupiny obyvateľstva vystavené kadmiu v rôznych krajinách.
Referencie
1. Sovet, U. Otrava spôsobená práškom používaným pri čistení striebra. Presse. Med. 1858, 9, 69–70. (Francuzsky)
2. Landrigan, P.; Bose-O'Reilly, S.; Elbel, J.; Nordberg, G.; Lucchini, R.; Bartram, C.; Grandjean, P.; Mergler, D.; Moyo, D.; Nemery, B.; a kol. Zníženie počtu chorôb a úmrtí v dôsledku remeselnej a malej ťažby (ASM) – naliehavá potreba zodpovednej ťažby v kontexte rastúceho globálneho dopytu po mineráloch a kovoch na zmiernenie zmeny klímy. Environ. Zdravie 2022, v tlači.
3. Nordberg, GF; Akesson, A.; Nogawa, K.; Nordberg, M. Kapitola 7 Zväzok II Kadmium. In Príručka o toxikológii kovov, 5. vydanie; Nordberg, GF, Costa, M., Eds.; Elsevier: Amsterdam, Holandsko; Academic Press: Londýn, Spojené kráľovstvo, 2022; s. 141–196.
4. Margoshes, M.; Vallee, BL A kadmiový proteín z kôry obličiek koní. J. Am. Chem. Soc. 1957, 79, 4813-4814. [CrossRef]
5. Piscator, M. O kadmiu v normálnych ľudských obličkách spolu so správou o izolácii metalotioneínu z pečene králikov vystavených kadmiu. Nord. Hyg. Tidskr. 1964, 45, 7
6. (po švédsky) 6. Nordberg, GF; Piscator, M.; Lind, B. Distribúcia kadmia medzi proteínovými frakciami z myšej pečene. Acta Pharmacol. Toxicol. 1971, 29, 456-470. [CrossRef]
7. Nordberg, GF; Nordberg, M.; Piscator, M.; Vesterberg, O. Separácia dvoch foriem králičieho metalotioneínu izoelektrickou fokusáciou. Biochem. J. 126, 491-498 (1972). [CrossRef]
8. Nordberg, GF; Piscator, M.; Nordberg, M. O distribúcii kadmia v krvi. Acta Pharmacol. Toxicol. 1971, 30, 289-295. [CrossRef]
9. Nordberg, M.; Nordberg, GF Distribúcia kadmia viazaného na metalotioneín a chloridu kademnatého u myší. Environ. Zdravotný výhľad. 1975, 12, 103-108. [CrossRef]
10. Kr˛e˙zel, A.; Maret, W. Bioanorganická chémia cicavčích metalotioneínov. Chem. 2021, 121, 14594–14648. [CrossRef]
11. Thévenod, F.; Wolff, NA Transport železa v obličkách: Dôsledky pre fyziológiu a nefrotoxicitu kadmia. Metallomics 2016, 8, 17–42. [CrossRef]
Podporná služba Wecistanche - Najväčší vývozca cistanche v Číne:
E-mail:wallence.suen@wecistanche.com
Whatsapp/Tel:+86 15292862950
Nakupujte pre ďalšie špecifikácie Podrobnosti:
https://www.xjcistanche.com/cistanche-shop
