Tossicologia della metallotioneina e del cadmio: revisione storica e commento Ⅱ
Dec 19, 2023
4. Tossicità del cadmio e sua modulazione da parte delle metallotioneine
Come accennato nell'introduzione, i medici clinici hanno osservato per primi gli effetti tossici dei composti di cadmio. Nel 1858, Sovet riferì [1] che si sono verificati sintomi respiratori e gastrointestinali in persone che utilizzavano un agente lucidante contenente cadmio. Pubblicazioni successive descrivono effetti tossici sui reni, sul fegato e sullo scheletro, nonché tossicità riproduttiva e cancro negli esseri umani e negli animali (rivisti in [3]). Il Cd si lega agli MT in tutti i tessuti (Sezione2) Eeffetti avversi sui polmoni, lo scheletro, ilfegato e reni, nonché il cancro [3,19] possono essere modificati legandosi alle metallotioneine. Tuttavia, gli studi su tali effetti protettivi in tessuti diversi dal fegato e dai reni sono pochi.
4.1. Tossicità epatica del cadmio: ruolo delle metallotioneine
Piscator 1964 [5] ha dimostrato che il Cd era legato al MT nel fegato di animali esposti ripetutamente a piccole dosi di Cd. Ha suggerito un ruolo protettivo per la MT per la tossicità dei tessuti. Come menzionato nella Sezione 3.3, i sali di cadmio somministrati agli animali da esperimento in un’unica dose elevata vanno principalmente al fegato dove provocano danni. Wisniewska-Knypl e Jablonska 1970 [53] e Nordberg et al., 1971 [8] hanno dimostrato che il cadmio era legato al MT nel fegato degli animali esposti al cadmio e hanno suggerito che il legame fornirebbe protezione contro la tossicità. Dopo una singola dose elevata di Cd si è verificata tossicità epatica e il legame del MT nel tessuto epatico non si è verificato fino a diversi giorni dopo la somministrazione [8]. Quando gli animali venivano pretrattati con piccole dosi di cadmio e poi somministrate una dose elevata, non si verificava tossicità epatica e il cadmio si legava al MT [8]. Goering e Klaassen 1984 [54] hanno dimostrato che la resistenza all'epatotossicità era dovuta al MT presintetizzato. Questi primi studi sul ruolo della MT nella protezione del fegato sono stati successivamente seguiti e ampliati con indagini biochimiche e morfologiche dettagliate, riviste da Sabolic et al., 2010 [43]. Tuttavia, mentre la tossicità epatica si verifica negli animali da esperimento trattati con dosi relativamente elevate di cadmio, non si riscontra spesso negli esseri umani, perché la maggior parte delle esposizioni avviene a dosi più basse per periodi di tempo più lunghi. La sezione seguente si concentra sulla tossicità renale a partire daleffetti sui renisono stati a lungo e sono tuttora considerati effetti critici nelle esposizioni al cadmio a lungo termine [19].
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4.2. Tossicità renale del cadmio: ruolo delle metallotioneine e loro contenuto di Cd/Zn
Dopo una singola dose elevata di cadmio, compaiono effetti tossici negli organi riproduttivi e nel fegato. Uno o pochi giorni dopo una singola dose negli animali, una percentuale maggiore di cadmio epatico si lega alle metallotioneine, principalmente MT-1 e MT-2 [8,55]. Come menzionato nella Sezione 3.3, il cadmio legato al MT viene rilasciato dal fegato nel plasma sanguigno e successivamente filtrato attraverso la membrana glomerulare nei reni. Dal filtrato glomerulare, il Cd-MT viene assorbito dai tubuli renali prossimali (Figura 2). Nelle cellule tubulari, il CdMT entra nei lisosomi [56] dove gli ioni Cd vengono rilasciati dal MT e raggiungono altri organelli subcellulari. Risultati successivi sono stati esaminati da Sabolic 2010 [43]. Gli ioni Cd rilasciati causano lesioni tubulari renali se la MT protettiva non è disponibile per legare il Cd rilasciato. Una dose in bolo iniettata di CdMT in animali senza precedente esposizione al cadmio causerà un danno tubulare renale ad una concentrazione nell'intero rene di 9 ug/g di peso umido. corrispondente a un livello della corteccia renale di 11 ug/g come mostrato nel 1975 [57]. Sono necessari livelli tissutali molto più elevati per indurre un danno tubulare renale negli animali esposti a lungo termine al cadmio, ad esempio, negli studi di Nordberg et al., 1971 [8] e Nordberg e Piscator 1972 [58], la tossicità tubulare nel il rene non appariva finché la concentrazione nell’intero rene non raggiungeva 130–170 µg/g. Nordberg et al., 1975 [57], hanno suggerito una spiegazione per i diversi livelli tissutali legati alla tossicità. Dopo una singola iniezione di CdMT, il rapido trasporto e assorbimento del CdMT nei tubuli renali provoca il rilascio intracellulare di quantità considerevoli di ioni Cd, poiché vengono rilasciati dal MT quando la proteina viene degradata. Tale rilascio provoca tossicità tubulare renale a livelli relativamente bassi di Cd nel tessuto totale. Questi livelli (circa 10 µg/g di tessuto) sarebbero i livelli minimi nella corteccia renale per lesioni tubulari da cadmio. Nelle esposizioni a lungo termine; livelli più elevati di Cd tissutale totale sono tollerati perché c'è tempo perché avvenga la sintesi locale di MT, sequestrando gli ioni Cd. Nelle esposizioni a lungo termine, tubolarelesione renalesi verifica a livelli tissutali ancora più elevati quando viene raggiunto il livello massimo di sintesi locale di MT. Allora l’azione sequestrante di MT risulterà insufficiente. Anche Nordberg et al., 1994 [59] hanno dimostrato l'effetto protettivo dei tessutiMT nei reni, sequestrando il Cd dai siti di legame della membrana sensibili nei tubuli renali di animali iniettati con CdMT. Altri scienziati hanno successivamente confermato questi risultati [41,42] nei topi MT nulli. In questi topi l'accumulo di Cd nel rene è limitato e poiché non esiste alcuna protezione MTtessuto renale,danno renalesi verifica a bassi livelli tissutali (vedi anche [60]).
Studi di Elinder et al. (1987) [61] di animali esposti al Cd (con sintesi MT intatta) hanno dimostrato che nelle frazioni MT (MT-1 e MT-2) isolate dai reni mediante gelcromatografia, il quoziente molare Cd/Zn aumenta con l'aumentare del livello di MT nel tessuto renale (Figura 3). Il livello MT è proporzionale al livello tissutale di Cd e all'esposizione cumulativa al Cd. La variazione del quoziente Cd/Zn si verifica perché il Cd si lega più forte ai gruppi SH in MT rispetto allo Zn. Il cadmio sostituisce quindi lo zinco nella proteina. Quando il quoziente Cd/Zn nel MT è basso, alle cellule viene offerta protezione dalla tossicità del Cd. Quando il quoziente Cd/Zn aumenta, ci sono meno siti Zn disponibili con cui il Cd può interagire e la protezione è meno efficiente. A 0,1 mmol MT, ovvero 0,5 mmol Cd (55 mg Cd/kg) nella corteccia renale, la protezione è compromessa e la suscettibilità alla disfunzione tubulare aumenta. Quando il quoziente Cd/Zn è 6, cioè 6 dei 7 siti di legame dei metalli nella MT sono occupati da Cd, si è verificata una disfunzione renale in tutti gli animali (a 0.4–0.5 mmol MT Figura 3). MT con quasi tutti i siti di legame occupati da Cd, non può legare più Cd e la funzione sequestrante di MT è esaurita. I risultati mostrano come la MT agisce nella protezione cellulare contro il cadmio. Questi risultati spiegano perché esiste una protezione fino ad una specifica concentrazione critica nelle cellule tubulari renali. Quando le concentrazioni totali di Cd cellulare aumentano al di sopra di questo livello si verificano effetti tossici a causa dell'interferenza del Cd con gli enzimi Zn-dipendenti e le funzioni di membrana [62,63]. Questi risultati supportano il modello (Figura 2) secondo cui il CdMT, dopo l'assorbimento nelle cellule tubulari renali e il trasferimento ai lisosomi, rilascia Cd che interferisce con la funzione cellulare [56,59,64]. Alcune prove [65] suggeriscono un ruolo del trasportatore dello zinco ZIP8 per l'espressione della tossicità renale del Cd. Le specie reattive dell'ossigeno si formano quando il cadmio esercita i suoi effetti tossici sulle cellule tubulari renali [66], ma non sappiamo esattamente come i diversi eventi influenzino l'esito. Tuttavia, ci sono prove che negli esseri umani esposti al cadmio per lunghi periodi di tempo si sviluppa una proteinuria tubulare quando la concentrazione di cadmio nella corteccia renale supera gli 80-200 mg/kg [3,19,67]. Anche se dovrebbe essere possibile utilizzare le informazioni sui percorsi biochimici per affinare le valutazioni quantitative del rischio, tali modelli raffinati non sono ancora disponibili. Il modello esplicativo nella Figura 2 rimane valido anche se non descrive i percorsi molecolari dettagliati recentemente scoperti (vedi sopra e recensioni [11,43]). Inoltre, lo stato dello Zn è importante perché probabilmente influenza la probabilità che il Cd sostituisca lo Zn nella MT e la probabilità che il Cd interferisca con bersagli intracellulari molecolari sensibili. L'importanza dello stato di Zn è stata documentata negli esseri umani [68] che risiedono in un'area della Cina contaminata da cadmio. A esposizioni comparabili di Cd, le persone con un buono stato di zinco avevano una prevalenza considerevolmente inferiore di disfunzione tubulare renale rispetto a quelle con bassi livelli di Zn nel siero e nei capelli.
Figura 3. Le concentrazioni relative (percentuale) di Cd (cerchi pieni), Zn (cerchi aperti) e rame (punti neri) nelle frazioni MT in relazione alla concentrazione totale di MT. MT è stato isolato dai reni di conigli con esposizione variabile al cadmio [61].
4.3. Studi sugli esseri umani su cadmio e metallotioneina
4.3.1. La metallotioneina urinaria come biomarcatore della disfunzione renale
Come menzionato nella Sezione 3.4, una grande percentuale di Cd nelle urine è legata al MT [31,45,69]. Poiché la disfunzione dei tubuli renali implica un carente riassorbimento di tutte le proteine a basso peso molecolare (inclusa la MT) dall'urina primaria, si verificherà un aumento dell'escrezione di queste proteine nelle urine. Gli autori che hanno dimostrato che il Cd è legato al MT nelle urine hanno anche dimostrato che le persone esposte al Cd con disfunzione tubulare espellono più MT nelle urine rispetto alle persone non esposte al Cd. In uno studio epidemiologico, Shaikh et al., 1990 [70] hanno incluso 3168 uomini e donne in un'area del Giappone inquinata da cadmio e hanno riscontrato un aumento dell'escrezione di metallotioneina tra quelli con disfunzione tubulare renale indotta da Cd. Un aumento dell’escrezione urinaria di MT in relazione alla comparsa di disfunzione renale correlata al cadmio è stato riscontrato anche nei lavoratori esposti al cadmio [46] e nelle persone con diabete di tipo 2 [47].
4.3.2. Espressione genica della metallotioneina nei linfociti periferici: un biomarcatore della suscettibilità dei tessuti alla tossicità del cadmio
Il testo precedente ha esaminato le prove che dimostrano che l'MT funge da efficiente scavenger intracellulare per il cadmio diminuendone la tossicità legando il cadmio in un numero di tessuti (recensioni [60,71]). Studi su animali e esseri umani esposti al cadmio mostrano la sintesi di MT indotta da cadmio nel fegato e nei reni. Mediante esposizione in vitro al Cd dei linfociti del sangue periferico (PBL), l'inducibilità di MT e MTmRNA è stata misurata mediante RT PCR (ovvero, espressione genica MT (MT-GE) [72]. Lu et al. [72] hanno eseguito tali misurazioni e hanno esaminato il loro possibile utilizzo come biomarcatore della disintossicazione generale dei tessuti da parte di MT. Hanno reclutato lavoratori esposti a Cd nella provincia di Guangxi, in Cina. Oltre alle misurazioni di MT-GE, gli studi dei lavori hanno incluso il Cd urinario come biomarcatore di esposizione e NAG nelle urine (UNAG) come biomarker di effetto. I risultati hanno mostrato un aumento del livello di NAG urinario (UNAG) in relazione all'aumento dei livelli di Cd nelle urine. I lavoratori con livelli elevati di MTmRNA nei PBL avevano livelli di NAG inferiori nelle urine rispetto a quelli con livelli bassi Livelli di MTmRNA nei PBL [72], se confrontati con livelli simili di UCd. Questi risultati supportano l'ipotesi che il livello indotto di MTmRNA nei PBL riflette il livello di espressione di MT sia nei PBL che nella corteccia renale. MT-GE nei PBL, quindi può essere utilizzato come biomarker della suscettibilità dei tessuti alla tossicità del cadmio.
Un altro studio ha incluso un gruppo della popolazione generale [73]. Studi su agricoltori in un'area inquinata da Cd in Cina includevano misurazioni di MT-GE in PBL a livelli comparabili di UCd, quelli con MT-GE elevato espellevano meno NAG urinario rispetto a quelli con MT-GE basso (differenza statisticamente significativa a UCd > 1 0μg/g Crea p < 0,001).
Gli studi citati su lavoratori e agricoltori esposti al Cd mostrano che MT-GE nei PBL può essere utilizzato come biomarcatore di suscettibilità alla tossicità del Cd. Tuttavia, il trattamento in vitro con Cd di PBL freschi è un requisito impegnativo negli studi sul campo. È necessario sviluppare metodi più adatti agli studi sul campo e questi metodi dovrebbero essere standardizzati affinché i risultati siano comparabili tra i laboratori [74]. Sebbene siano stati studiati i gruppi esposti per motivi professionali [75], non sono ancora disponibili studi su vasta popolazione.
4.3.3. Autoanticorpi contro MT nel plasma sanguigno: un biomarcatore di suscettibilità alla nefrotossicità da cadmio
Jin et al. [76] hanno riscontrato un'alta frequenza di livelli elevati di anticorpi contro la MT nei sieri di pazienti con allergia ai metalli. Questa scoperta ha stimolato il nostro interesse sulla possibilità che tali anticorpi possano interferire con la protezione MT nei tessuti degli animali e degli esseri umani. Questo è stato il contesto generale per i seguenti studi: Chen et al., 2006 [46] hanno misurato gli autoanticorpi contro MT (MTab) nel plasma sanguigno mediante ELISA. Nei lavoratori delle fonderie e nei controlli nella provincia di Hunan, in Cina, abbiamo misurato MTab nel plasma sanguigno, UCd, UNAG e UB2M (beta-2-microglobulina urinaria). Sono stati riscontrati livelli aumentati di MTab in relazione all’aumento di UNAG o UB2M. A livelli comparabili di UCd, c'era un odds ratio di 4,2 (CI 1,2-14) per la disfunzione tubulare per le persone con livelli aumentati di MTab rispetto a quelli con bassi livelli di MTab.
Esperimenti su animali e studi epidemiologici forniscono la prova che il diabete provoca un'aumentata sensibilità allo sviluppo di disfunzione renale correlata al cadmio [77,78] rivisto in [3]. Chen et al. [47] hanno eseguito uno studio sul ruolo di MTab per lo sviluppo della disfunzione tubulare renale tra i diabetici a Shanghai, in Cina, con diabete di tipo 2. Le misurazioni includevano MTab nel plasma sanguigno, UCd, UNAG, UALB (albumina urinaria), UB2M e una serie di variabili di fondo. L'UCd era 0.05–4,17, GM 0,38 ug/g crea. Ci sono stati aumenti statisticamente significativi di UNAG e UB2M in relazione all'UCd e un odds ratio più elevato, statisticamente significativo, per la disfunzione tubulare tra quelli con MTab alto rispetto a MTab basso.
In sintesi, gli studi hanno dimostrato che tra i lavoratori e i diabetici, livelli elevati di MTab erano associati a una maggiore prevalenza di disfunzione tubulare renale rispetto a quelli con livelli di MTab più bassi. MTab nel plasma sanguigno è quindi un biomarcatore di suscettibilità allo sviluppo di disfunzione tubulare correlata al cadmio. Non conosciamo il meccanismo dettagliato alla base di questo effetto, ma è probabile che rifletta un’interferenza con la protezione dei tessuti da parte della MT.
5. Osservazioni conclusive
Gli effetti nocivi del cadmio sulla salute negli esseri umani furono segnalati per la prima volta 160 anni fa e la metallotioneina (MT), proteina legante il cadmio a basso peso molecolare, fu scoperta più di 60 anni fa. La presente revisione ha riassunto le prove disponibili sul ruolo degli MT nella tossicologia del cadmio applicata alla valutazione del rischio. Si è concentrato sui nostri risultati dagli anni '70 in poi e ha fornito commenti su altri risultati in relazione alla rilevanza e all'applicabilità nella valutazione del rischio. Sono state presentate prove a sostegno dello schema (Figura 2) che spiega la cinetica del cadmio e le interazioni con i bersagli renali quando si provoca un danno tubulare nei reni. Biomarcatori come l'espressione genica MT nei linfociti del sangue periferico e gli anticorpi MT nel plasma sanguigno sono stati sviluppati negli ultimi vent'anni (Sezione 4) per essere utilizzati nel perfezionamento degli studi epidemiologici e per assistere nella valutazione del rischio. Tuttavia, a nostra conoscenza, l’uso di questi biomarcatori è attualmente molto limitato. Notiamo che il nostro schema esplicativo per la tossicocinetica e la tossicodinamica del cadmio nei reni (Figura 2) è ancora generalmente accettato e questo modello tossicocinetico e tossicodinamico è utilizzato con successo per calcoli quantitativi dei rischi di disfunzione renale in relazione all'esposizione al cadmio. Tali calcoli forniscono una prospettiva preziosa sui risultati degli studi epidemiologici (Sezione 3.5). Sembra che esistano opportunità per utilizzare più prove disponibili nelle valutazioni del rischio, ad esempio, per utilizzare i biomarcatori correlati al MT e per tenere conto dell'influenza dello stato di Zn (sezione 4.1). Anche senza tali miglioramenti nella valutazione del rischio, è ovvio che livelli di esposizione molto bassi al cadmio provocano effetti negativi sui reni e su altri organi nell’uomo. In parte sulla base delle prove riassunte nella presente revisione, si riconosce che gli attuali valori limite occupazionali per il cadmio nei paesi ad alto e medio reddito sono spesso più alti di quanto desiderato. Nell’UE, ad esempio, sono in corso azioni per valori inferiori. In alcuni paesi a reddito basso e medio-basso con attività mineraria artigianale su piccola scala, vi sono esposizioni eccessive al cadmio e ad altri metalli e vi è un urgente bisogno di condizioni migliori. Ciò è molto importante in questo momento in cui vi è una crescente domanda globale di metalli per combattere il cambiamento climatico. Ci auguriamo che l’applicazione delle conoscenze riassunte in questa revisione possa aiutare a migliorare la valutazione del rischio e le condizioni per i gruppi di popolazione esposti al cadmio in vari paesi.
Riferimenti
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