Metallothionein and Cadmium Toxicology—Historisk översikt och kommentar Ⅱ
Dec 19, 2023
4. Kadmiumtoxicitet och dess modulering av metallothioneiner
Som nämnts i inledningen observerade kliniska läkare först de toxiska effekterna av Cd-föreningar. År 1858 rapporterade Sovet [1] att andnings- och gastrointestinala symtom förekom hos personer som använde ett Cd-innehållande polermedel. Senare publikationer beskriver toxiska effekter i njurar, lever och skelett samt reproduktionstoxicitet och cancer hos människor och djur (recensat i [3]). Cd binder till MT i alla vävnader (avsnitt2) ochnegativa effekter i lungorna, skelettet, denlever och njurar samt cancer [3,19] kommer sannolikt att modifieras genom bindning till metallotioneiner. Studier av sådana skyddande effekter i andra vävnader än lever och njurar är dock få.
4.1. Levertoxicitet av kadmium - Roll av metallothioneiner
Piscator 1964 [5] visade att Cd var bundet till MT i levern på djur som upprepade gånger utsatts för små doser av Cd. Han föreslog en skyddande roll för MT för vävnadstoxicitet. Som nämnts i avsnitt 3.3 går Cd-salter som ges till försöksdjur i en enda stor dos i första hand till levern där det orsakar skada. Wisniewska-Knypl och Jablonska 1970 [53] och Nordberg et al., 1971 [8] visade att Cd var bundet till MT i levern på Cd-exponerade djur och antydde att bindning skulle ge skydd mot toxicitet. Efter en enda stor dos av Cd fanns levertoxicitet och MT-bindning i levervävnad inträffade inte förrän flera dagar efter dosering [8]. När djur förbehandlades med små doser kadmium och sedan gavs en stor dos, fanns det ingen levertoxicitet och Cd bands till MT [8]. Göring och Klaassen 1984 [54] visade att resistens mot levertoxicitet berodde på försyntetiserad MT. Dessa tidiga studier av MT:s roll för att skydda levern har senare följts upp och utökats med detaljerade biokemiska och morfologiska undersökningar, granskade av Sabolic et al., 2010 [43]. Men även om levertoxicitet förekommer hos försöksdjur som ges jämförelsevis stora doser av Cd, påträffas den inte ofta hos människor, eftersom de flesta exponeringar är för lägre doser under längre tidsperioder. Följande avsnitt fokuserar på njurtoxicitet sedannjureffekterhar länge varit och anses fortfarande vara kritiska effekter vid långvariga Cd-exponeringar [19].
CISTANCHE EXTRAKT MED 25% ECHINACOSID OCH 9% ACTEOSIDE FÖR NJURE
4.2. Njurtoxicitet av kadmium - Roll av metallothioneiner och deras Cd/Zn-innehåll
Efter en enda hög dos av Cd uppträder toxiska effekter i fortplantningsorganen och levern. En eller några dagar efter en engångsdos till djur binds en ökad andel lever-Cd till metallotioneiner, främst MT-1 och MT-2 [8,55]. Som nämnts i avsnitt 3.3 frisätts MT-bunden Cd från levern till blodplasma och filtreras därefter genom det glomerulära membranet i njurarna. Från det glomerulära filtratet tas Cd-MT upp av de proximala njurtubuli (Figur 2). I de tubulära cellerna kommer CdMT in i lysosomerna [56] där Cd-joner frigörs från MT och når andra subcellulära organeller. Senare fynd granskades av Sabolic 2010 [43]. Frigjorda Cd-joner orsakar tubulär njurskada om skyddande MT inte finns tillgängligt för att binda den frigjorda Cd. En injicerad bolusdos av CdMT hos djur utan tidigare exponering för kadmium kommer att orsaka njurrörsskada vid en koncentration i hela njuren på 9 ug/g våtvikt. motsvarande en njurbarknivå på 11 ug/g som visades 1975 [57]. Mycket högre vävnadsnivåer krävs för att inducera njurrörskada hos djur med långvarig exponering för kadmium, till exempel i studier av Nordberg et al., 1971 [8] och Nordberg och Piscator 1972 [58], tubulär toxicitet i njure uppträdde inte förrän koncentrationen i hela njuren nådde 130–170 µg/g. Nordberg et al., 1975 [57], föreslog en förklaring till de olika vävnadsnivåerna relaterade till toxicitet. Efter en enda injektion av CdMT orsakar den snabba transporten och upptaget av CdMT i njurtubuli intracellulär frisättning av avsevärda mängder Cd-joner, eftersom de frisätts från MT när proteinet bryts ned. Sådan frisättning orsakar renal tubulär toxicitet vid relativt låga Cd-nivåer i total vävnad. Dessa nivåer (ca 10 µg/g vävnad) skulle vara miniminivåer i njurbarken för tubulär skada från Cd. Vid långtidsexponeringar; högre nivåer av total vävnads-Cd tolereras eftersom det finns tid för lokal MT-syntes att äga rum, vilket binder Cd-joner. Vid långtidsexponering, rörformignjurskadainträffar vid ännu högre vävnadsnivåer när den maximala nivån av lokal syntes av MT uppnås. Då kommer MTs sekvestreringsverkan att vara otillräcklig. Nordberg et al., 1994 [59] visade också den skyddande effekten av vävnadMT i njurarnasekvestrering av Cd från känsliga membranbindningsställen i njurtubuli hos djur injicerade med CdMT. Andra forskare bekräftade därefter dessa fynd [41,42] i MT nollmöss. Hos sådana möss är Cd-ackumulering i njurarna begränsad och eftersom det inte finns något MT-skydd avnjurvävnad,njurskadaförekommer vid låga vävnadsnivåer (se även [60]).
Studier av Elinder et al. (1987) [61] av Cd-exponerade djur (med intakt MT-syntes) visade att i MT-fraktioner (MT-1 och MT-2) isolerade från njurarna genom gelkromatografi, den molära Cd/Zn-kvoten ökar med ökande nivå av MT i njurvävnad (Figur 3). MT-nivån är proportionell mot Cd-vävnadsnivån och den kumulativa exponeringen för Cd. Förändringen i Cd/Zn-kvoten uppstår eftersom Cd binder starkare till SH-grupper i MT än Zn. Cd ersätter alltså Zn i proteinet. När Cd/Zn-kvoten i MT är låg, erbjuds celler skydd mot Cd-toxicitet. När Cd/Zn-kvoten ökar finns det färre Zn-platser tillgängliga för Cd att interagera med och skyddet är mindre effektivt. Vid 0.1 mmol MT, dvs. 0.5 mmol Cd (55 mg Cd/kg) i njurbarken, försämras skyddet och känsligheten för tubulär dysfunktion ökar. När Cd/Zn-kvotienten är 6, dvs. 6 av de 7 metallbindningsställena i MT är upptagna av Cd, förekom njurdysfunktion hos alla djur (vid 0,4–0,5 mmol MT figur 3). MT med nästan alla bindningsställen upptagna av Cd, kan inte binda mer Cd, och MT:s sekvestreringsfunktion är uttömd. Fynden visar hur MT verkar i cellulärt skydd mot Cd. Dessa fynd förklarar varför det finns skydd upp till en specifik kritisk koncentration i tubulära njurceller. När den totala cellulära Cd-koncentrationen ökar över denna nivå uppstår toxiska effekter på grund av Cd-interferens med Zn-beroende enzymer och membranfunktioner [62,63]. Dessa fynd stöder modellen (Figur 2) att CdMT, efter upptag i njurrörsceller och överföring till lysosomer, frisätter Cd som stör cellulär funktion [56,59,64]. Vissa bevis [65] tyder på en roll för zinktransportör ZIP8 för uttrycket av njurtoxicitet av Cd. Reaktiva syrearter bildas när Cd utövar sina toxiska effekter på njurrörsceller [66], men vi vet inte exakt hur olika händelser påverkar resultatet. Det finns dock bevis hos människor som exponerats för Cd under långa tidsperioder att tubulär proteinuri utvecklas när Cd-koncentrationen i njurbarken överstiger 80–200 mg/kg [3,19,67]. Även om det borde vara möjligt att använda information om biokemiska vägar för att förfina kvantitativa riskbedömningar, är sådana förfinade modeller ännu inte tillgängliga. Förklaringsmodellen i figur 2 förblir giltig även om den inte beskriver de detaljerade molekylära vägarna som nyligen upptäckts (se ovan och recensioner [11,43]). Dessutom är Zn-status viktig eftersom det förmodligen påverkar sannolikheten för att Cd ersätter Zn i MT och sannolikheten för att Cd stör känsliga molekylära intracellulära mål. Vikten av Zn-status dokumenterades hos människor [68] som bor i ett kadmiumförorenat område i Kina. Vid jämförbara Cd-exponeringar hade personer med god zinkstatus en avsevärt lägre förekomst av renal tubulär dysfunktion jämfört med de med lågt Zn i serum och hår.
Figur 3. De relativa koncentrationerna (procent) av Cd (fyllda cirklar), Zn (öppna cirklar) och koppar (svarta prickar) i MT-fraktioner i förhållande till den totala MT-koncentrationen. MT isolerades från njurarna hos kaniner med varierande exponering för Cd [61].
4.3. Studier i människor på kadmium och metallothionein
4.3.1. Urinmetallothionein som en biomarkör för njurdysfunktion
Som nämnts i avsnitt 3.4 är en stor del av Cd i urinen bunden till MT [31,45,69]. Eftersom dysfunktion av njurtubuli innebär bristfällig reabsorption av alla lågmolekylära proteiner (inklusive MT) från primär urin, kommer det att bli ökad utsöndring av dessa proteiner i urinen. Författarna som visade att Cd är bundet till MT i urin visade också att Cd-exponerade personer med tubulär dysfunktion utsöndrar mer MT i urin än icke-Cd-exponerade personer. I en epidemiologisk studie inkluderade Shaikh et al., 1990 [70] 3168 män och kvinnor i ett kadmiumförorenat område i Japan och fann ökad metallothionein-utsöndring bland de med Cd-inducerad renal tubulär dysfunktion. Ökad urinutsöndring av MT i relation till förekomsten av Cd-relaterad njurdysfunktion hittades också hos kadmiumexponerade arbetare [46] och hos personer med typ 2-diabetes [47].
4.3.2. Metallotionein-genexpression i perifera lymfocyter - en biomarkör för vävnadskänslighet för kadmiumtoxicitet
Den föregående texten granskade bevis som visar att MT fungerar som en effektiv intracellulär rensare för kadmium som minskar dess toxicitet genom att binda Cd i ett antal vävnader (recensioner [60,71]). Studier på Cd-exponerade djur och människor visar Cd-inducerad MT-syntes i lever och njurar. Genom in vitro Cd-exponering av perifera blodlymfocyter (PBL) mättes inducerbarheten av MT och MTmRNA med RT PCR (dvs MT-genexpression (MT-GE) [72]. Lu et al. [72] utförde sådana mätningar och undersökte deras möjliga användning som en biomarkör för allmän vävnadsavgiftning av MT. De rekryterade Cd-exponerade arbetare i Guangxi-provinsen, Kina. Förutom mätningarna av MT-GE inkluderade studierna av verken urin-Cd som en biomarkör för exponering och NAG i urin (UNAG) som effektbiomarkör Resultaten visade en ökad nivå av urin-NAG (UNAG) i relation till ökade nivåer av Cd i urin. Arbetare med höga nivåer av MTmRNA i PBL hade lägre NAG-nivåer i urin än de med låga MTmRNA-nivåer i PBLs [72], när de jämförs vid liknande nivåer av UCd. Dessa resultat stöder hypotesen att den inducerade nivån av MTmRNA i PBLs återspeglar MT-expressionsnivån både i PBL:er och i njurbarken. MT-GE i PBL:er kan således användas som en biomarkör för vävnadskänslighet för kadmiumtoxicitet.
En annan studie inkluderade en grupp från den allmänna befolkningen [73]. Studier av bönder i ett Cd-förorenat område i Kina inkluderade mätningar av MT-GE i PBL vid jämförbara nivåer av UCd, de med hög MT-GE utsöndrade mindre urin-NAG än de med låg MT-GE (skillnad statistiskt signifikant vid UCd > 1) 0µg/g Crea p < 0,001).
De nämnda studierna på Cd-exponerade arbetare och bönder visar att MT-GE i PBL kan användas som en biomarkör för känslighet för Cd-toxicitet. Emellertid är in vitro Cd-behandling av färska PBL ett krävande krav i fältstudier. Det finns ett behov av att utveckla metoder mer lämpade för fältstudier och dessa metoder bör standardiseras för att resultaten ska vara jämförbara mellan laboratorier [74]. Även om yrkesexponerade grupper har studerats [75] finns ännu inga stora befolkningsstudier tillgängliga.
4.3.3. Autoantikroppar mot MT i blodplasma - en biomarkör för mottaglighet för kadmiumnefrotoxicitet
Jin et al. [76] fann en hög frekvens av förhöjda nivåer av antikroppar mot MT i sera från patienter med metallallergi. Detta fynd stimulerade vårt intresse för möjligheten att sådana antikroppar kan störa MT-skydd i vävnader hos djur och människor. Detta var den allmänna bakgrunden för följande studier: Chen et al., 2006 [46] mätte autoantikroppar mot MT (MTab) i blodplasma med ELISA. Hos smältverksarbetare och kontroller i Hunan-provinsen, Kina, mätte vi MTab i blodplasma, UCd, UNAG och UB2M (urin beta-2-mikroglobulin). Det var ökade nivåer av MTab i förhållande till ökad UNAG eller UB2M. Vid jämförbara nivåer av UCd fanns det en oddskvot på 4,2 (CI 1,2–14) för tubulär dysfunktion för personer med ökade nivåer av MTab jämfört med de med låga nivåer av MTab.
Djurförsök och epidemiologiska studier ger bevis för att diabetes ger upphov till en ökad känslighet för utveckling av Cd-relaterad njurdysfunktion [77,78] granskat i [3]. Chen et al. [47] genomförde en studie om MTabs roll för utvecklingen av njurtubulär dysfunktion bland diabetiker i Shanghai, Kina, med typ 2-diabetes. Mätningarna inkluderade MTab i blodplasma, UCd, UNAG, UALB (urinalbumin), UB2M och ett antal bakgrundsvariabler. UCd var 0.05–4,17, GM 0,38 ug/g crea. Det fanns statistiskt signifikanta ökningar av UNAG och UB2M i förhållande till UCd och en statistiskt signifikant högre oddskvot för tubulär dysfunktion bland de med hög MTab jämfört med låg MTab.
Sammanfattningsvis visade studierna att bland arbetare och diabetiker var förhöjda nivåer av MTab associerade med en högre förekomst av tubulär njurdysfunktion jämfört med de med lägre MTab-nivåer. MTab i blodplasma är således en biomarkör för känslighet för utveckling av Cd-relaterad tubulär dysfunktion. Vi känner inte till den detaljerade mekanismen bakom denna effekt, men det är troligt att det återspeglar en interferens med vävnadsskydd av MT.
5. Avslutande kommentarer
Skadliga hälsoeffekter av Cd hos människor rapporterades först för 160 år sedan och det lågmolekylära Cd-bindande proteinet metallothionein (MT) upptäcktes för mer än 60 år sedan. Den här översikten sammanfattade tillgängliga bevis om MTs roll i kadmiumtoxikologi som tillämpas på riskbedömning. Den fokuserade på våra egna fynd från 1970-talet och framåt och gav kommentarer till andra fynd i relation till relevans och tillämpbarhet vid riskbedömning. Bevis presenterades som stödjer schemat (Figur 2) som förklarar Cd-kinetiken och interaktioner med njurmål när man framkallar tubulär skada i njurarna. Biomarkörer som MT-genuttryck i perifera blodlymfocyter och MT-antikroppar i blodplasma har utvecklats under de senaste tjugo åren (avsnitt 4) för att användas vid förfining av epidemiologiska studier och för att hjälpa till vid riskbedömningar. Men såvitt vi vet är användningen av dessa biomarkörer för närvarande mycket begränsad. Vi noterar att vårt förklaringsschema för kadmiumtoxikokinetik och toxicodynamik i njurarna (Figur 2) fortfarande är allmänt accepterat och denna toxicokinetiska och toxicodynamiska modell används framgångsrikt för kvantitativa beräkningar av risker för njurdysfunktion i relation till Cd-exponering. Sådana beräkningar ger ett värdefullt perspektiv på fynd i epidemiologiska studier (avsnitt 3.5). Möjligheter att använda mer av tillgänglig evidens i riskbedömningar verkar finnas, till exempel att använda de MT-relaterade biomarkörerna och att ta hänsyn till påverkan av Zn-status (avsnitt 4.1). Även utan sådana förfiningar av riskbedömningar är det uppenbart att mycket låga exponeringsnivåer av Cd ger upphov till negativa effekter på njurar och andra organ hos människor. Delvis baserat på evidensen som sammanfattas i denna översikt, inser man att nuvarande yrkesmässiga gränsvärden för Cd i hög- och medelinkomstländer ofta är högre än önskat. Åtgärder för lägre värden pågår till exempel inom EU. I vissa låg- och lägre medelinkomstländer med pågående hantverksmässig småskalig gruvdrift finns det överdriven exponering för Cd och andra metaller och det finns ett akut behov av förbättrade förhållanden. Detta är mycket viktigt för närvarande när det finns en växande global efterfrågan på metaller för att bekämpa klimatförändringarna. Vi hoppas att tillämpningen av den kunskap som sammanfattas i denna översikt kommer att bidra till att förbättra riskbedömningar och villkor för befolkningsgrupper som exponeras för kadmium i olika länder.
Referenser
1. Sovet, U. Förgiftning orsakad av pulver som används vid rengöring av Silver. Presse. Med. 1858, 9, 69–70. (På franska)
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. Att minska sjukdomar och dödsfall från hantverks- och småskalig gruvdrift (ASM) – Det akuta behovet av ansvarsfull gruvdrift i samband med den växande globala efterfrågan på mineraler och metaller för att mildra klimatförändringarna. Environ. Hälsa 2022, i tryck.
3. Nordberg, GF; Åkesson, A.; Nogawa, K.; Nordberg, M. Kapitel 7 Volym II Kadmium. I Handbook on the Toxicology of Metals, 5:e upplagan; Nordberg, GF, Costa, M., Eds.; Elsevier: Amsterdam, Nederländerna; Academic Press: London, Storbritannien, 2022; s. 141–196.
4. Margoshes, M.; Vallee, BL Ett kadmiumprotein från hästens njurbark. J. Am. Chem. Soc. 1957, 79, 4813–4814. [CrossRef]
5. Piscator, M. Om kadmium i normala mänskliga njurar tillsammans med en rapport om isolering av metallothionein från lever från kadmiumexponerade kaniner. Nord. Hyg. Tidskr. 1964, 45, 7
6. (På svenska) 6. Nordberg, GF; Piscator, M.; Lind, B. Fördelning av kadmium bland proteinfraktioner av muslever. Acta Pharmacol. Toxicol. 1971, 29, 456–470. [CrossRef]
7. Nordberg, GF; Nordberg, M.; Piscator, M.; Vesterberg, O. Separation av två former av kaninmetallotionein genom isoelektrisk fokusering. Biochem. J. 1972, 126, 491-498. [CrossRef]
8. Nordberg, GF; Piscator, M.; Nordberg, M. Om Kadmiums Fördelning i Blodet. Acta Pharmacol. Toxicol. 1971, 30, 289-295. [CrossRef]
9. Nordberg, M.; Nordberg, GF Distribution av metallothionein-bundet kadmium och kadmiumklorid i möss. Environ. Hälsoperspektiv. 1975, 12, 103–108. [CrossRef]
10. Kr˛e ˙zel, A.; Maret, W. The Bioinorganic Chemistry of Mammalian Metallothioneines. Chem. Upps. 2021, 121, 14594–14648. [CrossRef]
11. Thévenod, F.; Wolff, NA Järntransport i njuren: Implikationer för fysiologi och kadmiumnefrotoxicitet. Metallomics 2016, 8, 17–42. [CrossRef]
Supportive Service Of Wecistanche - Den största cistanche-exportören i Kina:
E-post:wallence.suen@wecistanche.com
Whatsapp/Tel:+86 15292862950
Handla för fler specifikationer:
https://www.xjcistanche.com/cistanche-shop
