Metallothioneïne en cadmiumtoxicologie – historisch overzicht en commentaar Ⅱ
Dec 19, 2023
4. Cadmiumtoxiciteit en de modulatie ervan door metallothionen
Zoals vermeld in de inleiding observeerden klinische artsen eerst de toxische effecten van Cd-verbindingen. In 1858 rapporteerde Sovet [1] dat ademhalings- en maagdarmklachten optraden bij personen die een Cd-houdend polijstmiddel gebruikten. Latere publicaties beschrijven toxische effecten in de nieren, lever en skelet, evenals reproductieve toxiciteit en kanker bij mensen en dieren (besproken in [3]). Cd bindt zich aan MT's in alle weefsels (paragraaf2) Enschadelijke effecten in de longen, het skelet, delever en nieren, evenals kanker [3,19] worden waarschijnlijk gemodificeerd door binding aan metallothioneïnen. Er zijn echter weinig onderzoeken naar dergelijke beschermende effecten in andere weefsels dan de lever en de nieren.
4.1. Levertoxiciteit van cadmium-rol van metallothionen
Piscator 1964 [5] toonde aan dat Cd gebonden was aan MT in de lever van dieren die herhaaldelijk blootgesteld waren aan kleine doses Cd. Hij suggereerde een beschermende rol voor MT voor weefseltoxiciteit. Zoals vermeld in paragraaf 3.3, gaan Cd-zouten die in één grote dosis aan proefdieren worden gegeven, voornamelijk naar de lever waar het schade veroorzaakt. Wisniewska-Knypl en Jablonska 1970 [53] en Nordberg et al., 1971 [8] toonden aan dat Cd gebonden was aan MT in de lever van aan Cd blootgestelde dieren en suggereerden dat binding bescherming zou bieden tegen toxiciteit. Na een enkele grote dosis Cd was er levertoxiciteit en trad MT-binding in leverweefsel pas enkele dagen na toediening op [8]. Wanneer dieren werden voorbehandeld met kleine doses cadmium en vervolgens een grote dosis kregen, was er geen sprake van levertoxiciteit en werd Cd gebonden aan MT [8]. Göring en Klaassen 1984 [54] toonden aan dat resistentie tegen hepatoxiciteit te wijten was aan voorgesynthetiseerd MT. Deze vroege onderzoeken naar de rol van MT bij de bescherming van de lever zijn later opgevolgd en uitgebreid met gedetailleerd biochemisch en morfologisch onderzoek, beoordeeld door Sabolic et al., 2010 [43]. Hoewel levertoxiciteit optreedt bij proefdieren die relatief hoge doses Cd krijgen, wordt dit echter niet vaak bij mensen aangetroffen, omdat de meeste blootstelling aan lagere doses gedurende langere tijd plaatsvindt. Het volgende gedeelte richt zich op niertoxiciteit sinds deniereffectenworden al lang en worden nog steeds beschouwd als kritische effecten bij langdurige blootstelling aan Cd [19].
CISTANCHE-EXTRACT MET 25% ECHINACOSIDE EN 9% ACTEOSIDE VOOR NIEREN
4.2. Niertoxiciteit van cadmium-rol van metallothionen en hun cd/zn-gehalte
Na een enkele hoge dosis Cd treden toxische effecten op in de voortplantingsorganen en de lever. Eén of een paar dagen na een enkele dosis bij dieren wordt een groter deel van de lever-Cd gebonden aan metallothioneïnes, voornamelijk MT-1 en MT-2 [8,55]. Zoals vermeld in paragraaf 3.3 wordt MT-gebonden Cd vanuit de lever in het bloedplasma afgegeven en vervolgens door het glomerulaire membraan in de nieren gefilterd. Uit het glomerulaire filtraat wordt Cd-MT opgenomen door de proximale niertubuli (Figuur 2). In de buisvormige cellen komt CdMT de lysosomen binnen [56] waar Cd-ionen vrijkomen uit MT en andere subcellulaire organellen bereiken. Latere bevindingen zijn beoordeeld door Sabolic 2010 [43]. Vrijgekomen Cd-ionen veroorzaken schade aan de niertubuli als er geen beschermende MT beschikbaar is om de vrijgekomen Cd te binden. Een geïnjecteerde bolusdosis CdMT bij dieren zonder voorafgaande blootstelling aan cadmium zal schade aan de niertubuli veroorzaken bij een concentratie in de gehele nier van 9 ug/g nat gew. overeenkomend met een niercortexniveau van 11 ug/g, zoals aangetoond in 1975 [57]. Er zijn veel hogere weefselniveaus nodig om niertubulaire schade te veroorzaken bij dieren die langdurig aan cadmium zijn blootgesteld, bijvoorbeeld in de onderzoeken van Nordberg et al., 1971 [8] en Nordberg en Piscator 1972 [58], tubulaire toxiciteit bij de nier verscheen pas toen de concentratie in de gehele nier 130–170 µg/g bereikte. Nordberg et al., 1975 [57] suggereerden een verklaring voor de verschillende weefselniveaus die verband houden met toxiciteit. Na een enkele injectie van CdMT veroorzaakt het snelle transport en de opname van CdMT in de niertubuli de intracellulaire afgifte van aanzienlijke hoeveelheden Cd-ionen, omdat deze vrijkomen uit MT wanneer het eiwit wordt afgebroken. Een dergelijke afgifte veroorzaakt niertubulaire toxiciteit bij relatief lage Cd-niveaus in het totale weefsel. Deze niveaus (ca. 10 µg/g weefsel) zouden minimumniveaus in de niercortex zijn voor tubulair letsel door Cd. Bij langdurige blootstelling; hogere niveaus van totaal Cd in het weefsel worden getolereerd omdat er tijd is voor lokale MT-synthese, waarbij Cd-ionen worden vastgelegd. Bij langdurige blootstelling buisvormignierbeschadigingvindt plaats op nog hogere weefselniveaus wanneer het maximale niveau van lokale synthese van MT wordt bereikt. Dan zal de sekwestrerende werking van MT onvoldoende zijn. Nordberg et al., 1994 [59] toonden ook het beschermende effect van weefsel aanMT in de nieren, waarbij Cd wordt gesekwestreerd uit gevoelige membraanbindingsplaatsen in de niertubuli van dieren die zijn geïnjecteerd met CdMT. Andere wetenschappers bevestigden vervolgens deze bevindingen [41,42] bij MT-nulmuizen. Bij dergelijke muizen is de accumulatie van Cd in de nieren beperkt en omdat er geen sprake is van MT-beschermingnierweefsel,nierbeschadigingkomt voor op lage weefselniveaus (zie ook [60]).
Onderzoek door Elinder et al. (1987) [61] van aan Cd blootgestelde dieren (met intacte MT-synthese) toonden aan dat in MT-fracties (MT-1 en MT-2) geïsoleerd uit de nieren door gelchromatografie, het molaire Cd/Zn-quotiënt neemt toe met toenemend MT-niveau in nierweefsel (Figuur 3). Het MT-niveau is evenredig met het Cd-weefselniveau en de cumulatieve blootstelling aan Cd. De verandering in het Cd/Zn-quotiënt treedt op omdat Cd sterker aan SH-groepen in MT bindt dan Zn. Cd vervangt dus Zn in het eiwit. Wanneer het Cd/Zn-quotiënt in MT laag is, krijgen cellen bescherming tegen Cd-toxiciteit. Wanneer het Cd/Zn-quotiënt toeneemt, zijn er minder Zn-sites beschikbaar waarmee Cd kan interageren en is de bescherming minder efficiënt. Bij 0,1 mmol MT, dwz 0,5 mmol Cd (55 mg Cd/kg) in de niercortex, is de bescherming verminderd en neemt de gevoeligheid voor tubulaire disfunctie toe. Wanneer het Cd/Zn-quotiënt 6 is, dat wil zeggen dat 6 van de 7 metaalbindingsplaatsen in MT bezet zijn door Cd, was er bij alle dieren sprake van nierdisfunctie (bij 0.4–0.5 mmol MT Figuur 3). MT, omdat bijna alle bindingsplaatsen bezet zijn door Cd, kan niet meer Cd binden en de sekwestrerende functie van MT is uitgeput. De bevindingen laten zien hoe MT werkt bij de cellulaire bescherming tegen Cd. Deze bevindingen verklaren waarom er bescherming is tot een specifieke kritische concentratie in niertubulaire cellen. Wanneer de totale cellulaire Cd-concentraties boven dit niveau stijgen, treden toxische effecten op vanwege Cd-interferentie met Zn-afhankelijke enzymen en membraanfuncties [62,63]. Deze bevindingen ondersteunen het model (Figuur 2) dat CdMT, na opname in tubulaire niercellen en overdracht naar lysosomen, Cd vrijgeeft, wat de cellulaire functie verstoort [56,59,64]. Enig bewijs [65] suggereert een rol voor zinktransporter ZIP8 bij de expressie van niertoxiciteit van Cd. Reactieve zuurstofsoorten worden gevormd wanneer Cd zijn toxische effecten uitoefent op tubulaire niercellen [66], maar we weten niet precies hoe verschillende gebeurtenissen de uitkomst beïnvloeden. Er zijn echter aanwijzingen dat bij mensen die langdurig aan Cd worden blootgesteld, tubulaire proteïnurie ontstaat wanneer de Cd-concentratie in de niercortex hoger wordt dan 80-200 mg/kg [3,19,67]. Hoewel het mogelijk zou moeten zijn om informatie over biochemische routes te gebruiken om kwantitatieve risicobeoordelingen te verfijnen, zijn dergelijke verfijnde modellen nog niet beschikbaar. Het verklarende model in figuur 2 blijft geldig, ook al beschrijft het niet de gedetailleerde moleculaire routes die onlangs zijn ontdekt (zie hierboven en recensies [11,43]). Bovendien is de Zn-status belangrijk omdat deze waarschijnlijk de waarschijnlijkheid beïnvloedt dat Cd Zn in MT vervangt en de waarschijnlijkheid dat Cd interfereert met gevoelige moleculaire intracellulaire doelen. Het belang van de Zn-status werd gedocumenteerd bij mensen [68] die in een met cadmium verontreinigd gebied van China woonden. Bij vergelijkbare Cd-blootstellingen hadden personen met een goede zinkstatus een aanzienlijk lagere prevalentie van niertubulaire disfunctie vergeleken met degenen met een laag serum- en haar-Zn.
Figuur 3. De relatieve concentraties (percentage) van Cd (gevulde cirkels), Zn (open cirkels) en koper (zwarte stippen) in MT-fracties in verhouding tot de totale MT-concentratie. MT werd geïsoleerd uit de nieren van konijnen met variërende blootstelling aan Cd [61].
4.3. Studies bij mensen over cadmium en metallothioneïne
4.3.1. Urinaire metallothioneïne als biomarker voor nierdisfunctie
Zoals vermeld in paragraaf 3.4 is een groot deel van Cd in de urine gebonden aan MT [31,45,69]. Omdat disfunctie van de niertubuli een gebrekkige reabsorptie van alle laagmoleculaire eiwitten (inclusief MT) uit de primaire urine betekent, zal er een verhoogde uitscheiding van deze eiwitten in de urine plaatsvinden. De auteurs die aantoonden dat Cd aan MT gebonden is in de urine, toonden ook aan dat personen die blootgesteld zijn aan Cd met tubulaire dysfunctie meer MT uitscheiden in de urine dan personen die niet aan Cd zijn blootgesteld. In een epidemiologische studie includeerden Shaikh et al., 1990 [70] 3168 mannen en vrouwen in een met cadmium vervuild gebied van Japan en vonden een verhoogde uitscheiding van metallothioneïne onder mensen met Cd-geïnduceerde niertubulaire disfunctie. Een verhoogde MT-uitscheiding via de urine in relatie tot het optreden van Cd-gerelateerde nierdisfunctie werd ook gevonden bij aan cadmium blootgestelde werknemers [46] en bij personen met type 2-diabetes [47].
4.3.2. Metallothioneïne-genexpressie in perifere lymfocyten - een biomarker voor weefselgevoeligheid voor cadmiumtoxiciteit
In de voorgaande tekst is bewijsmateriaal beoordeeld waaruit blijkt dat MT dient als een efficiënte intracellulaire wegvanger voor cadmium, waardoor de toxiciteit ervan wordt verminderd door Cd in een aantal weefsels te binden (recensies [60,71]). Studies bij aan Cd blootgestelde dieren en mensen tonen Cd-geïnduceerde MT-synthese in lever en nieren aan. Door in vitro Cd-blootstelling van perifere bloedlymfocyten (PBL's) werd de induceerbaarheid van MT en MTmRNA gemeten door RT-PCR (dwz MT-genexpressie (MT-GE) [72]. Lu et al. [72] voerden dergelijke metingen uit en onderzocht hun mogelijke gebruik als biomarker voor algemene weefselontgifting door MT. Ze rekruteerden aan Cd blootgestelde werknemers in de provincie Guangxi, China. Naast de metingen van MT-GE omvatten de studies van de werken urine-Cd als een biomarker voor blootstelling en NAG in Urine (UNAG) als effectbiomarker. De resultaten toonden een verhoogd niveau van NAG (UNAG) in de urine aan in relatie tot verhoogde niveaus van Cd in de urine. Werknemers met hoge niveaus van MTmRNA in PBL's hadden lagere NAG-niveaus in de urine dan werknemers met lage niveaus van MTmRNA in PBL's. MTmRNA-niveaus in PBLs [72], vergeleken met vergelijkbare niveaus van UCd. Deze resultaten ondersteunen de hypothese dat het geïnduceerde niveau van MTmRNA in PBLs het MT-expressieniveau weerspiegelt, zowel in PBLs als in de niercortex. MT-GE in PBLs kan dus worden gebruikt als biomarker voor de gevoeligheid van weefsel voor cadmiumtoxiciteit.
Een ander onderzoek omvatte een groep uit de algemene bevolking [73]. Studies bij boeren in een Cd-vervuild gebied in China omvatten metingen van MT-GE in PBL’s bij vergelijkbare niveaus van UCd; degenen met een hoge MT-GE scheidden minder NAG uit dan degenen met een lage MT-GE (verschil statistisch significant bij UCd > 1 0µg/g Crea p < 0,001).
Uit de genoemde onderzoeken onder aan Cd blootgestelde werknemers en boeren blijkt dat MT-GE in PBLs kan worden gebruikt als biomarker voor de gevoeligheid voor Cd-toxiciteit. De in vitro Cd-behandeling van verse PBL's is echter een veeleisende vereiste in veldstudies. Er is behoefte aan het ontwikkelen van methoden die geschikter zijn voor veldstudies en deze methoden moeten worden gestandaardiseerd zodat de resultaten tussen laboratoria vergelijkbaar zijn [74]. Hoewel er onderzoek is gedaan naar beroepsmatig blootgestelde groepen [75] zijn er nog geen grote populatiestudies beschikbaar.
4.3.3. Auto-antilichamen tegen MT in bloedplasma: een biomarker voor gevoeligheid voor cadmium-nefrotoxiciteit
Jin et al. [76] vonden een hoge frequentie van verhoogde niveaus van antilichamen tegen MT in sera van patiënten met een metaalallergie. Deze bevinding stimuleerde onze interesse in de mogelijkheid dat dergelijke antilichamen de MT-bescherming in de weefsels van dieren en mensen zouden kunnen verstoren. Dit was de algemene achtergrond voor de volgende onderzoeken: Chen et al., 2006 [46] maten auto-antilichamen tegen MT (MTab) in bloedplasma met ELISA. Bij smelters en controles in de provincie Hunan, China, maten we MTab in bloedplasma, UCd, UNAG en UB2M (bèta-2-microglobuline in de urine). Er waren verhoogde niveaus van MTab in relatie tot verhoogde UNAG of UB2M. Bij vergelijkbare niveaus van UCd was er een oddsratio van 4,2 (BI 1,2–14) voor tubulaire disfunctie bij personen met verhoogde niveaus van MTab vergeleken met degenen met lage niveaus van MTab.
Dierproeven en epidemiologische studies leveren bewijs dat diabetes aanleiding geeft tot een verhoogde gevoeligheid voor de ontwikkeling van Cd-gerelateerde nierdisfunctie [77,78] besproken in [3]. Chen et al. [47] voerden een onderzoek uit naar de rol van MTab voor de ontwikkeling van niertubulaire disfunctie bij diabetici in Shanghai, China, met type 2-diabetes. Metingen omvatten MTab in bloedplasma, UCd, UNAG, UALB (urine-albumine), UB2M en een aantal achtergrondvariabelen. UCd was 0.05–4,17, GM 0,38 ug/g crea. Er waren statistisch significante stijgingen van UNAG en UB2M in relatie tot UCd en een statistisch significant hogere odds ratio voor tubulaire disfunctie bij mensen met een hoge MTab versus een lage MTab.
Samenvattend hebben de onderzoeken aangetoond dat onder werknemers en diabetici verhoogde niveaus van MTab geassocieerd waren met een hogere prevalentie van tubulaire nierdisfunctie vergeleken met degenen met lagere MTab-niveaus. MTab in bloedplasma is dus een biomarker voor de gevoeligheid voor de ontwikkeling van Cd-gerelateerde tubulaire disfunctie. We kennen het gedetailleerde mechanisme achter dit effect niet, maar het weerspiegelt waarschijnlijk een interferentie met weefselbescherming door MT.
5. Slotopmerkingen
Nadelige gevolgen voor de gezondheid van Cd bij mensen werden 160 jaar geleden voor het eerst gemeld en het Cd-bindende eiwit metallothioneïne (MT) met laag molecuulgewicht werd meer dan 60 jaar geleden ontdekt. De huidige review vat het beschikbare bewijsmateriaal samen over de rol van MT's in de cadmiumtoxicologie zoals toegepast op risicobeoordeling. Het concentreerde zich op onze eigen bevindingen vanaf de jaren zeventig en daarna en gaf commentaar op andere bevindingen met betrekking tot de relevantie en toepasbaarheid bij risicobeoordeling. Er werd bewijsmateriaal gepresenteerd ter ondersteuning van het schema (Figuur 2) dat de kinetiek van Cd en de interacties met nierdoelen uitlegde bij het veroorzaken van tubulaire schade in de nieren. Biomarkers zoals MT-genexpressie in perifere bloedlymfocyten en MT-antilichamen in bloedplasma zijn de afgelopen twintig jaar ontwikkeld (Hoofdstuk 4) om te worden gebruikt bij de verfijning van epidemiologische onderzoeken en om te helpen bij risicobeoordelingen. Voor zover wij weten is het gebruik van deze biomarkers momenteel echter zeer beperkt. We merken op dat ons verklaringsschema voor de toxicokinetiek en toxicodynamiek van cadmium in de nieren (Figuur 2) nog steeds algemeen aanvaard is en dat dit toxicokinetische en toxicodynamische model met succes wordt gebruikt voor kwantitatieve berekeningen van de risico's van nierdisfunctie in relatie tot blootstelling aan Cd. Dergelijke berekeningen bieden een waardevol perspectief op bevindingen uit epidemiologische onderzoeken (paragraaf 3.5). Er lijken mogelijkheden te bestaan om meer van het beschikbare bewijsmateriaal te gebruiken bij risicobeoordelingen, bijvoorbeeld om de MT-gerelateerde biomarkers te gebruiken en om rekening te houden met de invloed van de zinkstatus (paragraaf 4.1). Zelfs zonder dergelijke verfijningen van risicobeoordelingen is het duidelijk dat zeer lage blootstellingsniveaus aan Cd aanleiding geven tot nadelige effecten op de nieren en andere organen bij mensen. Gedeeltelijk op basis van het bewijsmateriaal dat in dit overzicht is samengevat, wordt erkend dat de huidige beroepsmatige grenswaarden voor Cd in hoge- en middeninkomenslanden vaak hoger zijn dan gewenst. Er zijn bijvoorbeeld in de EU acties gaande voor lagere waarden. In sommige lage- en lagere middeninkomenslanden waar ambachtelijke kleinschalige mijnbouw voortduurt, zijn er buitensporige blootstellingen aan Cd en andere metalen en is er dringend behoefte aan betere omstandigheden. Dit is momenteel van groot belang nu er wereldwijd een groeiende vraag is naar metalen om de klimaatverandering tegen te gaan. Wij hopen dat de toepassing van de in dit overzicht samengevatte kennis zal helpen bij het verbeteren van risicobeoordelingen en omstandigheden voor bevolkingsgroepen die in verschillende landen aan cadmium worden blootgesteld.
Referenties
1. Sovet, U. Vergiftiging veroorzaakt door poeder dat wordt gebruikt bij het reinigen van zilver. Druk. Med. 1858, 9, 69-70. (In het Frans)
2. Landrigan, P.; Bose-O'Reilly, S.; Elbel, J.; Nordberg, G.; Lucchini, R.; Bartram, C.; Grandjean, P.; Mergler, D.; Moyo, D.; Nemery, B.; et al. Het terugdringen van ziekten en sterfgevallen als gevolg van ambachtelijke en kleinschalige mijnbouw (ASM) - De dringende behoefte aan verantwoorde mijnbouw in de context van de groeiende mondiale vraag naar mineralen en metalen voor de beperking van de klimaatverandering. Omgeving. Gezondheid 2022, in druk.
3. Nordberg, GF; Akesson, A.; Nogawa, K.; Nordberg, M. Hoofdstuk 7 Deel II Cadmium. In Handboek over de toxicologie van metalen, 5e druk; Nordberg, GF, Costa, M., red.; Elsevier: Amsterdam, Nederland; Academische pers: Londen, VK, 2022; blz. 141–196.
4. Margoshes, M.; Vallee, BL Een cadmiumeiwit uit de niercortex van paarden. J. Am. Chem. Soc. 1957, 79, 4813-4814. [Kruisref]
5. Piscator, M. Over cadmium in normale menselijke nieren, samen met een rapport over de isolatie van metallothioneïne uit levers van aan cadmium blootgestelde konijnen. Noord. Hyg. Tidskr. 1964, 45, 7
6. (In het Zweeds) 6. Nordberg, GF; Piscator, M.; Lind, B. Verdeling van cadmium onder eiwitfracties van muizenlever. Acta Pharmacol. Toxicol. 1971, 29, 456–470. [Kruisref]
7. Nordberg, GF; Nordberg, M.; Piscator, M.; Vesterberg, O. Scheiding van twee vormen van konijnenmetallothioneïne door iso-elektrische focussering. Biochem. J. 1972, 126, 491–498. [Kruisref]
8. Nordberg, GF; Piscator, M.; Nordberg, M. Over de distributie van cadmium in bloed. Acta Pharmacol. Toxicol. 1971, 30, 289–295. [Kruisref]
9. Nordberg, M.; Nordberg, GF Verdeling van metallothioneïne-gebonden cadmium en cadmiumchloride bij muizen. Omgeving. Gezondheidsperspectief. 1975, 12, 103–108. [Kruisref]
10. Kr˛e˙zel, A.; Maret, W. De bio-anorganische chemie van metallothionen van zoogdieren. Chem. 2021, 121, 14594–14648. [Kruisref]
11. Thévenod, F.; Wolff, NA IJzertransport in de nier: implicaties voor fysiologie en cadmium-nefrotoxiciteit. Metallomica 2016, 8, 17–42. [Kruisref]
Ondersteunende service van Wecistanche, de grootste cistanche-exporteur in China:
E-mail:wallence.suen@wecistanche.com
Whatsapp/tel:+86 15292862950
Winkel voor meer specificaties:
https://www.xjcistanche.com/cistanche-shop
