Metallotioneiini ja kaadmiumi toksikoloogia – ajalooline ülevaade ja kommentaarid Ⅱ
Dec 19, 2023
4. Kaadmiumi toksilisus ja selle moduleerimine metallotioneiinide poolt
Nagu sissejuhatuses mainitud, täheldasid kliinilised arstid esmalt Cd-ühendite toksilist toimet. 1858. aastal teatas Sovet [1], et inimestel, kes kasutasid Cd-d sisaldavat poleerimisvahendit, ilmnesid hingamisteede ja seedetrakti sümptomid. Hilisemates väljaannetes kirjeldatakse toksilisi toimeid neerudele, maksale ja luustikule, samuti reproduktiivtoksilisust ja vähki inimestel ja loomadel (vaadatud [3]). Cd seondub MT-dega kõigis kudedes (jaotis2) jakahjulikud mõjud kopsudele, skelett,maks ja neerud, aga ka vähk [3,19] on tõenäoliselt modifitseeritud metallotioneiinidega seondumisel. Sellise kaitsva toime kohta muudes kudedes peale maksa ja neerude uuringuid on aga vähe.
4.1. Kaadmiumi toksilisus maksale – metallotioneiinide roll
Piscator 1964 [5] näitas, et Cd seostus MT-ga nende loomade maksas, kes olid korduvalt kokku puutunud väikeste Cd annustega. Ta pakkus välja MT kaitsva rolli koetoksilisuse suhtes. Nagu on mainitud jaotises 3.3, lähevad katseloomadele ühe suure annusena antud Cd soolad peamiselt maksa, kus see kahjustab. Wisniewska-Knypl ja Jablonska 1970 [53] ning Nordberg et al., 1971 [8] näitasid, et Cd seondus Cd-ga kokkupuutunud loomade maksas MT-ga ja viitasid sellele, et seondumine kaitseb toksilisuse eest. Pärast ühekordse suure Cd annuse manustamist ilmnes maksatoksilisus ja MT seondumine maksakoes tekkis alles mitu päeva pärast annustamist [8]. Kui loomi töödeldi eelnevalt väikeste kaadmiumiannustega ja seejärel suure annusega, ei ilmnenud maksatoksilisust ja Cd seondus MT-ga [8]. Goering ja Klaassen 1984 [54] näitasid, et resistentsus hepatotoksilisusele oli tingitud eelsünteesitud MT-st. Neid varaseid uuringuid MT rolli kohta maksa kaitsmisel on hiljem jälgitud ja laiendatud üksikasjalike biokeemiliste ja morfoloogiliste uuringutega, mille on läbi vaadanud Sabolic et al., 2010 [43]. Kuigi maksatoksilisus esineb katseloomadel, kellele manustati suhteliselt suuri Cd annuseid, ei esine seda inimestel sageli, kuna enamik kokkupuudet on väiksemate annustega pikema aja jooksul. Järgmine jaotis keskendub neerutoksilisusele alatesmõju neerudeleon pikka aega olnud ja peetakse endiselt kriitiliseks mõjuks pikaajalisel Cd kokkupuutel [19].
25% EHHINAKOOSIIDI JA 9% AKTEOSIIDIGA TSISTAŠEKSTRAKT NEERUDELE
4.2. Metallotioneiinide kaadmiumi rolli ja nende Cd/Zn sisalduse mürgisus neerudele
Pärast ühekordset suurt Cd annust ilmnevad toksilised toimed reproduktiivorganitele ja maksas. Üks või paar päeva pärast ühekordse annuse manustamist loomadel on suurenenud osa maksa Cd-st seotud metallotioneiinidega, peamiselt MT-1 ja MT-2 [8,55]. Nagu on mainitud jaotises 3.3, vabaneb MT-ga seotud Cd maksast vereplasmasse ja seejärel filtreeritakse läbi neerude glomerulaarmembraani. Glomerulaarfiltraadist võetakse Cd-MT proksimaalsetesse neerutuubulitesse (joonis 2). Torukujulistes rakkudes siseneb CdMT lüsosoomidesse [56], kus Cd ioonid vabanevad MT-st ja jõuavad teistesse subtsellulaarsetesse organellidesse. Hiljem vaadati tulemusi Sabolic 2010 [43]. Vabanenud Cd-ioonid põhjustavad neerutuubulite vigastusi, kui vabanenud Cd sidumiseks pole saadaval kaitsvat MT-d. Süstitud CdMT boolusannus loomadele, kellel ei ole eelnevat kaadmiumiga kokkupuudet, põhjustab neerutuubulite kahjustusi kogu neerus kontsentratsioonil 9 ug/g märgkaalu kohta. mis vastab neerukoore tasemele 11 ug/g, nagu on näidatud 1975. aastal [57]. Neerutuubulite kahjustuse esilekutsumiseks loomadel, kes on pikaajaliselt kaadmiumiga kokku puutunud, on vaja palju kõrgemaid kudede tasemeid, näiteks Nordbergi jt, 1971 [8] ning Nordbergi ja Piscatori 1972 [58] uuringutes, tubulaarset toksilisust Neer ilmnes alles siis, kui kontsentratsioon terves neerus saavutas 130–170 µg/g. Nordberg et al., 1975 [57], pakkusid välja seletuse toksilisusega seotud erinevatele kudede tasemetele. Pärast CdMT ühekordset süstimist põhjustab CdMT kiire transport ja omastamine neerutuubulitesse märkimisväärse koguse Cd-ioonide intratsellulaarset vabanemist, kuna need vabanevad MT-st valgu lagunemisel. Selline vabanemine põhjustab neerutuubulite toksilisust suhteliselt madala Cd taseme korral kogu koes. Need tasemed (ca 10 µg/g koe kohta) oleksid minimaalsed tasemed neerukoores Cd põhjustatud tubulaarse vigastuse korral. Pikaajalise kokkupuute korral; suuremad kogukoe Cd tasemed on talutavad, kuna on aega lokaalseks MT sünteesiks, mis eraldab Cd ioone. Pikaajalise kokkupuute korral torukujulineneerukahjustusesineb veelgi kõrgematel kudede tasemetel, kui saavutatakse MT lokaalse sünteesi maksimaalne tase. Siis on MT sekvestreerimistegevus ebapiisav. Nordberg et al., 1994 [59] näitasid ka kudede kaitsvat toimetMT neerudes, eraldades Cd tundlikest membraani sidumissaitidest CdMT-ga süstitud loomade neerutuubulites. Teised teadlased kinnitasid hiljem neid leide [41,42] MT nullhiirtel. Sellistel hiirtel on Cd akumuleerumine neerudes piiratud ja kuna puudub MT-kaitse.neerukude,neerukahjustusesineb kudede madalal tasemel (vt ka [60]).
Elinderi jt uuringud. (1987) [61] Cd-ga eksponeeritud loomadest (intaktse MT-sünteesiga) näitasid, et geelkromatograafiaga neerudest eraldatud MT-fraktsioonides (MT-1 ja MT-2) oli Cd/Zn molaarne jagatis suureneb koos MT taseme tõusuga neerukoes (joonis 3). MT tase on võrdeline Cd koe tasemega ja kumulatiivse kokkupuutega Cd-ga. Cd/Zn jagatis muutub, kuna Cd seostub MT-s SH-rühmadega tugevamini kui Zn. Seega asendab Cd valgu Zn-i. Kui MT Cd/Zn jagatis on madal, pakutakse rakkudele kaitset Cd toksilisuse eest. Kui Cd/Zn jagatis suureneb, on Cd-ga suhtlemiseks vähem Zn-saite ja kaitse on vähem tõhus. Kui neerukoores on 0,1 mmol MT, st 0,5 mmol Cd (55 mg Cd/kg), on kaitse nõrgenenud ja vastuvõtlikkus tubulaarfunktsiooni häiretele suureneb. Kui Cd/Zn jagatis on 6, st MT seitsmest metalli sidumiskohast 6 on hõivatud Cd-ga, esines neerufunktsiooni häireid kõigil loomadel (0,4–0,5 mmol). MT Joonis 3). MT, kus peaaegu kõik sidumissaidid on hõivatud Cd-ga, ei suuda siduda rohkem Cd-d ja MT sekvesteerimisfunktsioon on ammendatud. Leiud näitavad, kuidas MT toimib raku kaitses Cd vastu. Need leiud selgitavad, miks neerutuubulite rakkudes on kaitse kuni konkreetse kriitilise kontsentratsioonini. Kui raku kogu Cd kontsentratsioon tõuseb üle selle taseme, ilmnevad toksilised mõjud, kuna Cd häirib Zn-sõltuvaid ensüüme ja membraanifunktsioone [62, 63]. Need leiud toetavad mudelit (joonis 2), mille kohaselt CdMT vabastab pärast neerutuubulite rakkudesse imendumist ja lüsosoomidesse ülekandmist Cd, mis häirib raku funktsiooni [56, 59, 64]. Mõned tõendid [65] viitavad tsingi transporteri ZIP8 rollile Cd neerutoksilisuse ekspressioonis. Reaktiivsed hapnikuliigid tekivad siis, kui Cd avaldab neerutuubulite rakkudele toksilist mõju [66], kuid me ei tea täpselt, kuidas erinevad sündmused tulemust mõjutavad. Siiski on tõendeid, et inimestel, kes on pikka aega Cd-ga kokku puutunud, tekib tubulaarne proteinuuria, kui Cd kontsentratsioon neerukoores ületab 80–200 mg/kg [3,19,67]. Kuigi kvantitatiivse riskihinnangu täpsustamiseks peaks olema võimalik kasutada teavet biokeemiliste radade kohta, pole sellised täiustatud mudelid veel saadaval. Joonisel 2 olev selgitav mudel jääb kehtima isegi siis, kui see ei kirjelda hiljuti avastatud üksikasjalikke molekulaarseid teid (vt ülalt ja ülevaated [11, 43]). Lisaks on Zn staatus oluline, kuna see mõjutab tõenäoliselt tõenäosust, et Cd asendab Zn MT-s, ja tõenäosust, et Cd häirib tundlikke molekulaarseid rakusisest sihtmärke. Zn staatuse tähtsus dokumenteeriti inimestel [68], kes elavad Hiina kaadmiumiga saastunud piirkonnas. Võrreldava Cd kokkupuute korral oli hea tsingiseisundiga inimestel neerutorukeste düsfunktsiooni esinemissagedus tunduvalt väiksem kui madala seerumi ja juuste Zn-i sisaldusega inimestel.
Joonis 3. Cd (täidetud ringid), Zn (lahtised ringid) ja vase (mustad täpid) suhtelised kontsentratsioonid (protsentides) MT fraktsioonides MT kogukontsentratsiooni suhtes. MT eraldati erineva Cd kokkupuutega küülikute neerudest [61].
4.3. Uuringud inimestel kaadmiumi ja metallotioneiini kohta
4.3.1. Uriini metallotioneiin kui neerufunktsiooni häire biomarker
Nagu on mainitud jaotises 3.4, on suur osa uriinis sisalduvast Cd-st seotud MT-ga [31,45,69]. Kuna neerutuubulite talitlushäire tähendab kõigi madala molekulmassiga valkude (sealhulgas MT) puudulikku reabsorptsiooni primaarsest uriinist, suureneb nende valkude eritumine uriiniga. Autorid, kes näitasid, et Cd seostub uriinis MT-ga, näitasid ka, et Cd-ga kokkupuutunud tubulaarse düsfunktsiooniga inimesed eritavad uriiniga rohkem MT-d kui mitte-Cd-ga kokku puutunud inimesed. Epidemioloogilises uuringus hõlmasid Shaikh et al., 1990 [70] 3168 meest ja naist Jaapani kaadmiumiga saastatud piirkonnas ning leidsid suurenenud metallotioneiini eritumist nende hulgas, kellel oli Cd-indutseeritud neerutuubulite düsfunktsioon. Kaadmiumiga kokkupuutunud töötajatel [46] ja II tüüpi diabeediga inimestel [47] leiti ka suurenenud MT eritumine uriiniga seoses Cd-ga seotud neerufunktsiooni häirete esinemisega.
4.3.2. Metallotioneiini geeni ekspressioon perifeersetes lümfotsüütides – kudede kaadmiumi toksilisusele tundlikkuse biomarker
Eelnevas tekstis vaadeldi tõendeid, mis näitavad, et MT toimib tõhusa rakusisese kaadmiumi püüdjana, mis vähendab selle toksilisust, sidudes Cd paljudes kudedes (ülevaated [60, 71]). Uuringud Cd-ga kokkupuutunud loomadel ja inimestel näitavad Cd-indutseeritud MT sünteesi maksas ja neerudes. Perifeerse vere lümfotsüütide (PBL) in vitro kokkupuutel Cd-ga mõõdeti MT ja MTmRNA indutseeritavust RT PCR abil (st MT geeniekspressioon (MT-GE) [72]. Lu jt [72] tegid sellised mõõtmised ja uuris nende võimalikku kasutamist MT poolt üldise kudede detoksifitseerimise biomarkerina. Nad värbasid Hiinas Guangxi provintsis Cd-ga kokkupuutunud töötajaid. Lisaks MT-GE mõõtmistele hõlmasid tööde uuringud uriini Cd kokkupuute biomarkerina ja NAG uriinis (UNAG) kui biomarker. Tulemused näitasid uriini NAG (UNAG) taseme tõusu võrreldes suurenenud Cd tasemega uriinis. Töötajatel, kelle MTmRNA sisaldus PBL-des oli kõrge, oli NAG tase uriinis madalam kui madala kontsentratsiooniga töötajatel MTmRNA tasemed PBL-des [72], võrreldes UCd sarnaste tasemetega. Need tulemused toetavad hüpoteesi, et indutseeritud MTmRNA tase PBL-des peegeldab MT ekspressioonitaset nii PBL-des kui ka neerukoores. MT-GE PBL-des võib seega kasutada kaadmiumi toksilisuse suhtes kudede tundlikkuse biomarkerina.
Teises uuringus osales rühm üldpopulatsioonist [73]. Hiina Cd-saaste piirkonna põllumajandustootjate uuringud hõlmasid MT-GE mõõtmist PBL-ides võrreldava UCd tasemega, kõrge MT-GE-ga inimesed eritasid uriiniga vähem NAG-i kui madala MT-GE-ga (erinevus statistiliselt oluline UCd > 1 korral 0µg/g Crea p < 0,001).
Mainitud uuringud Cd-ga kokkupuutunud töötajate ja põllumeeste kohta näitavad, et MT-GE-d PBL-des saab kasutada Cd toksilisuse suhtes tundlikkuse biomarkerina. Värskete PBL-de in vitro Cd töötlemine on väliuuringutes aga nõudlik nõue. On vaja välja töötada väliuuringuteks sobivamad meetodid ja need meetodid tuleks standardiseerida, et tulemused oleksid laborites võrreldavad [74]. Kuigi tööalaselt kokkupuutuvaid rühmi on uuritud [75], ei ole suuri populatsiooniuuringuid veel saadaval.
4.3.3. MT-vastased autoantikehad vereplasmas – kaadmiumi nefrotoksilisusele tundlikkuse biomarker
Jin et al. [76] avastasid metalliallergiaga patsientide seerumis kõrge MT-vastaste antikehade taseme kõrge sageduse. See leid äratas meie huvi võimaluse vastu, et sellised antikehad võivad häirida MT kaitset loomade ja inimeste kudedes. See oli järgmiste uuringute üldine taust: Chen et al., 2006 [46] mõõtsid ELISA abil vereplasmas MT-vastaseid autoantikehi (MTab). Hiinas Hunani provintsis asuvates sulatustöölistes ja kontrollrühmades mõõtsime MTab vereplasmas, UCd, UNAG ja UB2M (uriini beeta{4}}mikroglobuliinis). MTab tase tõusis võrreldes suurenenud UNAG või UB2M-iga. Võrreldavate UCd tasemete korral oli tubulaarse düsfunktsiooni tõenäosus 4,2 (CI 1,2–14) inimestel, kellel oli kõrgenenud MTab tase võrreldes madala MTab tasemega inimestega.
Loomkatsed ja epidemioloogilised uuringud annavad tõendeid selle kohta, et diabeet suurendab tundlikkust Cd-ga seotud neerufunktsiooni häirete tekke suhtes [77,78], mida vaadati artiklis [3]. Chen et al. [47] viis Hiinas Shanghais läbi uuringu MTab rolli kohta neerutuubulite düsfunktsiooni tekkes II tüüpi diabeediga diabeetikutel. Mõõtmised hõlmasid MTab vereplasmas, UCd, UNAG, UALB (uriini albumiin), UB2M ja mitmeid taustmuutujaid. UCd oli 0.05–4,17, GM 0,38 ug/g crea. UNAG ja UB2M suurenes statistiliselt oluliselt võrreldes UCd-ga ja statistiliselt oluliselt kõrgem tubulaarse düsfunktsiooni tõenäosus nende hulgas, kellel oli kõrge MTab võrreldes madala MTab-ga.
Kokkuvõttes näitasid uuringud, et töötajate ja diabeetikute seas seostati MTab kõrgenenud taset tubulaarse neerufunktsiooni häire suurema esinemissagedusega võrreldes madalama MTab tasemega patsientidega. Seega on MTab vereplasmas biomarker, mis näitab vastuvõtlikkust Cd-ga seotud tubulaarsete düsfunktsioonide tekkele. Me ei tea selle mõju üksikasjalikku mehhanismi, kuid tõenäoliselt peegeldab see MT sekkumist koekaitsesse.
5. Lõppmärkused
Cd kahjulikest mõjudest inimeste tervisele teatati esmakordselt 160 aastat tagasi ja madala molekulmassiga Cd-d siduv valk metallotioneiin (MT) avastati rohkem kui 60 aastat tagasi. Käesolevas ülevaates tehti kokkuvõte olemasolevatest tõenditest MT-de rolli kohta kaadmiumi toksikoloogias, mida rakendatakse riskihindamisel. See keskendus meie enda leidudele alates 1970. aastatest ja andis märkusi muude leidude kohta seoses asjakohasuse ja kohaldatavusega riskihindamises. Esitati tõendid, mis toetavad skeemi (joonis 2), mis selgitavad Cd kineetikat ja koostoimeid neerusihtmärkidega neerude tubulaarse kahjustuse esilekutsumisel. Biomarkerid, nagu MT geeni ekspressioon perifeerse vere lümfotsüütides ja MT-antikehad vereplasmas, töötati välja viimase kahekümne aasta jooksul (jaotis 4), et neid saaks kasutada epidemioloogiliste uuringute täpsustamiseks ja riskihindamise abistamiseks. Kuid meile teadaolevalt on nende biomarkerite kasutamine praegu väga piiratud. Märgime, et meie selgitav skeem kaadmiumi toksikokineetika ja toksikodünaamika kohta neerudes (joonis 2) on endiselt üldtunnustatud ning seda toksikokineetilist ja toksikodünaamilist mudelit kasutatakse edukalt neerufunktsiooni häire riskide kvantitatiivseks arvutamiseks seoses Cd kokkupuutega. Sellised arvutused annavad väärtusliku ülevaate epidemioloogiliste uuringute tulemustest (jaotis 3.5). Näib, et on olemas võimalused kasutada rohkem olemasolevaid tõendeid riskihinnangutes, näiteks kasutada MT-ga seotud biomarkereid ja võtta arvesse Zn staatuse mõju (jaotis 4.1). Isegi ilma selliste riskihinnangute täpsustamiseta on ilmne, et väga madal Cd-ga kokkupuute tase avaldab kahjulikku mõju inimese neerudele ja teistele organitele. Osaliselt käesolevas ülevaates kokku võetud tõendite põhjal tunnistatakse, et praegused Cd tööalased piirväärtused kõrge ja keskmise sissetulekuga riikides on sageli soovitud kõrgemad. Näiteks ELis on käimas meetmed madalamate väärtuste nimel. Mõnes väikese ja keskmise sissetulekuga riigis, kus toimub väike käsitöönduslik kaevandamine, on Cd ja muude metallidega ülemäärane kokkupuude ning hädasti on vaja paremaid tingimusi. See on väga oluline praegu, kui kliimamuutuste vastu võitlemiseks on maailmas kasvav nõudlus metallide järele. Loodame, et käesolevas ülevaates kokku võetud teadmiste rakendamine aitab parandada erinevate riikide kaadmiumiga kokkupuutuvate elanikkonnarühmade riskianalüüse ja tingimusi.
Viited
1. Sovet, U. Hõbeda puhastamisel kasutatud pulbri põhjustatud mürgistus. Vajutage. Med. 1858, 9, 69–70. (Prantsuse keeles)
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. Käsitöölisest ja väikesemahulisest kaevandamisest (ASM) põhjustatud haiguste ja surmade vähendamine – tungiv vajadus vastutustundliku kaevandamise järele kliimamuutuste leevendamiseks kasvava ülemaailmse mineraalide ja metallide nõudluse kontekstis. Keskkond. Tervis 2022, trükis.
3. Nordberg, GF; Akesson, A.; Nogawa, K.; Nordberg, M. 7. peatükk, II köide Kaadmium. In Handbook on the Toxicology of Metals, 5. väljaanne; Nordberg, GF, Costa, M., toim.; Elsevier: Amsterdam, Holland; Academic Press: London, Suurbritannia, 2022; lk 141–196.
4. Margoshes, M.; Vallee, BL Kaadmiumi valk hobuste neerukoorest. J. Am. Chem. Soc. 1957, 79, 4813–4814. [CrossRef]
5. Piscator, M. Kaadmiumi kohta normaalsetes inimese neerudes koos aruandega metallotioneiini eraldamise kohta kaadmiumiga kokku puutunud küülikute maksast. Nord. Hyg. Tidskr. 1964, 45, 7
6. (rootsi keeles) 6. Nordberg, GF; Piscator, M.; Lind, B. Kaadmiumi jaotumine hiiremaksa valgufraktsioonides. Acta Pharmacol. Toksikool. 1971, 29, 456–470. [CrossRef]
7. Nordberg, GF; Nordberg, M.; Piscator, M.; Vesterberg, O. Küüliku metallotioneiini kahe vormi eraldamine isoelektrilise fokuseerimise teel. Biochem. J. 1972, 126, 491–498. [CrossRef]
8. Nordberg, GF; Piscator, M.; Nordberg, M. Kaadmiumi jaotumisest veres. Acta Pharmacol. Toksikool. 1971, 30, 289–295. [CrossRef]
9. Nordberg, M.; Nordberg, GF Metallotioneiiniga seotud kaadmiumi ja kaadmiumkloriidi jaotus hiirtel. Keskkond. Tervise perspektiiv. 1975, 12, 103–108. [CrossRef]
10. Kr˛e ˙zel, A.; Maret, W. Imetajate metallotioneiinide bioanorgaaniline keemia. Chem. Rev. 2021, 121, 14594–14648. [CrossRef]
11. Thévenod, F.; Wolff, NA Raua transport neerudes: mõju füsioloogiale ja kaadmiumi nefrotoksilisusele. Metalloomika 2016, 8, 17–42. [CrossRef]
Wecistanche'i tugiteenus - Hiina suurim tsistanšeksportija:
E-post:wallence.suen@wecistanche.com
Whatsapp/Tel:+86 15292862950
Lisateabe saamiseks ostke:
https://www.xjcistanche.com/cistanche-shop
