Metallotioneino ir kadmio toksikologija – istorinė apžvalga ir komentarai Ⅱ
Dec 19, 2023
4. Kadmio toksiškumas ir jo moduliavimas metalotioneinais
Kaip minėta įžangoje, klinikiniai gydytojai pirmiausia pastebėjo toksinį Cd junginių poveikį. 1858 metais Sovet pranešė [1], kad asmenims, vartojusiems Cd turinčią poliravimo priemonę, pasireiškė kvėpavimo takų ir virškinimo trakto simptomai. Vėlesnėse publikacijose aprašomas toksinis poveikis inkstams, kepenims ir skeletui, taip pat toksinis poveikis reprodukcijai ir vėžys žmonėms ir gyvūnams (apžvelgta [3]). Cd jungiasi su MT visuose audiniuose (Skyrius2) irneigiamas poveikis plaučiams, skeletas,kepenys ir inkstai, taip pat vėžys [3,19] gali būti modifikuoti prisijungiant prie metalotioneinų. Tačiau tokio apsauginio poveikio kituose audiniuose, išskyrus kepenis ir inkstus, tyrimų atlikta nedaug.
4.1. Kadmio toksiškumas kepenims – metalotioneinų vaidmuo
Piscator 1964 [5] parodė, kad Cd buvo prijungtas prie MT gyvūnų kepenyse, pakartotinai veikiant mažas Cd dozes. Jis pasiūlė apsauginį MT vaidmenį audinių toksiškumui. Kaip minėta 3.3 skirsnyje, Cd druskos, duodamos eksperimentiniams gyvūnams viena didele doze, pirmiausia patenka į kepenis, kur sukelia žalą. Wisniewska-Knypl ir Jablonska 1970 [53] ir Nordberg ir kt., 1971 [8] parodė, kad Cd buvo prijungtas prie MT Cd paveiktų gyvūnų kepenyse ir teigė, kad surišimas apsaugotų nuo toksiškumo. Suvartojus vieną didelę Cd dozę, pasireiškė toksinis poveikis kepenims ir MT prisijungimas prie kepenų audinio nepasireiškė praėjus kelioms dienoms po dozavimo [8]. Kai gyvūnai buvo iš anksto apdoroti mažomis kadmio dozėmis, o po to duodama didelė dozė, toksinio poveikio kepenims nebuvo ir Cd buvo prijungtas prie MT [8]. Goering ir Klaassen 1984 [54] parodė, kad atsparumą hepatotoksiškumui lėmė iš anksto susintetintas MT. Šie ankstyvieji MT vaidmens saugant kepenis tyrimai vėliau buvo tęsiami ir papildyti išsamiais biocheminiais ir morfologiniais tyrimais, kuriuos apžvelgė Sabolic ir kt., 2010 [43]. Tačiau, nors toksinis poveikis kepenims pasireiškia eksperimentiniams gyvūnams, gaunantiems palyginti dideles Cd dozes, žmonėms jis nedažnai nustatomas, nes dažniausiai veikiama mažesnėmis dozėmis ilgesnį laiką. Kitame skyriuje dėmesys sutelkiamas į toksinį poveikį inkstams nuoinkstų poveikisilgą laiką buvo ir tebėra laikomi kritiniais ilgalaikio Cd poveikio poveikiais [19].
CISTANČŲ EKSTRAKTAS SU 25% ECHINAKOZIDU IR 9% AKTEOZIDU, SKIRTA INKSTS
4.2. Kadmio toksiškumas inkstams – metalotioneinų vaidmuo ir jų Cd/Zn kiekis
Išgėrus vieną didelę Cd dozę, pasireiškia toksinis poveikis reprodukciniams organams ir kepenims. Praėjus vienai ar kelioms dienoms po vienkartinės dozės sušvirkštimo gyvūnams, didesnė kepenų Cd dalis prisijungia prie metalotioneinų, daugiausia MT-1 ir MT-2 [8,55]. Kaip minėta 3.3 skyriuje, su MT surištas Cd išsiskiria iš kepenų į kraujo plazmą ir vėliau filtruojamas per inkstų glomerulų membraną. Iš glomerulų filtrato Cd-MT pasisavina proksimaliniai inkstų kanalėliai (2 pav.). Vamzdinėse ląstelėse CdMT patenka į lizosomas [56], kur Cd jonai išsiskiria iš MT ir pasiekia kitus tarpląstelinius organelius. Vėliau radinius apžvelgė Sabolic 2010 [43]. Atpalaiduoti Cd jonai sukelia inkstų kanalėlių pažeidimą, jei nėra apsauginio MT, kuris surištų išsiskyrusią Cd. Sušvirkštus boliuso CdMT dozę gyvūnams, kurie anksčiau nebuvo ekspozicijos kadmiu, sukels inkstų kanalėlių pažeidimą, kai koncentracija visame inkste yra 9 ug/g šlapio svorio. atitinka 11 ug/g inkstų žievės lygį, kaip parodyta 1975 m. [57]. Norint sukelti inkstų kanalėlių pažeidimą gyvūnams, ilgą laiką veikiantiems kadmiu, reikalingas daug didesnis audinių lygis, pavyzdžiui, Nordberg ir kt., 1971 [8] ir Nordberg ir Piscator 1972 [58] tyrimuose, tiriant kanalėlių toksiškumą inkstas neatsirado, kol koncentracija visame inkste nepasiekė 130–170 µg/g. Nordberg ir kt., 1975 [57], pasiūlė skirtingų audinių lygių, susijusių su toksiškumu, paaiškinimą. Po vienos CdMT injekcijos greitas CdMT transportavimas ir įsisavinimas inkstų kanalėliuose sukelia didelį Cd jonų kiekį ląstelėse, nes jie išsiskiria iš MT, kai baltymas yra suskaidytas. Toks išsiskyrimas sukelia inkstų kanalėlių toksiškumą esant santykinai mažam Cd kiekiui bendrame audinyje. Šie kiekiai (apie 10 µg/g audinio) būtų minimalūs inkstų žievėje esant Cd kanalėlių pažeidimui. Esant ilgalaikėms pozicijoms; yra toleruojami didesni bendro audinio Cd kiekiai, nes yra laiko įvykti vietinei MT sintezei, atskiriant Cd jonus. Esant ilgalaikiam poveikiui, vamzdinisinkstų pažeidimasatsiranda dar aukštesniuose audinių lygiuose, kai pasiekiamas maksimalus vietinės MT sintezės lygis. Tada MT sekvestravimo veiksmas bus nepakankamas. Nordberg ir kt., 1994 [59] taip pat parodė apsauginį audinių poveikįMT inkstuose, atskiriant Cd iš jautrių membranų surišimo vietų gyvūnų, kuriems buvo sušvirkštas CdMT, inkstų kanalėliuose. Kiti mokslininkai vėliau patvirtino šias išvadas [41,42] MT nulinėmis pelėmis. Tokių pelių Cd kaupimasis inkstuose yra ribotas ir dėl to, kad nėra MT apsaugosinkstų audinys,inkstų pažeidimasatsiranda esant žemam audinių lygiui (taip pat žr. [60]).
Elinder ir kt. tyrimai. (1987) [61] iš Cd paveiktų gyvūnų (su nepažeista MT sinteze) parodė, kad MT frakcijose (MT-1 ir MT-2), išskirtose iš inkstų gelchromatografijos būdu, molinis Cd/Zn koeficientas didėja didėjant MT kiekiui inkstų audinyje (3 pav.). MT lygis yra proporcingas Cd audinio lygiui ir bendram Cd poveikiui. Cd/Zn koeficientas pasikeičia todėl, kad Cd stipriau jungiasi su SH grupėmis MT nei Zn. Taigi Cd baltyme pakeičia Zn. Kai MT Cd / Zn koeficientas yra mažas, ląstelės yra apsaugotos nuo Cd toksiškumo. Kai Cd/Zn koeficientas didėja, Cd gali sąveikauti mažiau Zn vietų, o apsauga yra mažiau efektyvi. Esant 0,1 mmol MT, ty 0,5 mmol Cd (55 mg Cd/kg) inkstų žievėje, pablogėja apsauga ir padidėja jautrumas kanalėlių disfunkcijai. Kai Cd/Zn koeficientas yra 6, ty 6 iš 7 MT metalo surišimo vietų yra užimtos Cd, visų gyvūnų inkstų funkcija sutriko (0,4–0,5 mmol). MT 3 pav.). MT, kai beveik visos surišimo vietos yra užimtos Cd, negali surišti daugiau Cd, o MT sekvestravimo funkcija yra išnaudota. Rezultatai rodo, kaip MT veikia ląstelių apsaugai nuo Cd. Šie radiniai paaiškina, kodėl inkstų kanalėlių ląstelėse yra apsauga iki konkrečios kritinės koncentracijos. Kai bendroji Cd koncentracija ląstelėse padidėja virš šio lygio, atsiranda toksinis poveikis dėl Cd trukdžių nuo Zn priklausomiems fermentams ir membranų funkcijoms [62,63]. Šie radiniai patvirtina modelį (2 pav.), kad CdMT, patekęs į inkstų kanalėlių ląsteles ir pernešęs į lizosomas, išskiria Cd, kuris trukdo ląstelių funkcijai [56, 59, 64]. Kai kurie įrodymai [65] rodo, kad cinko transporteris ZIP8 turi įtakos Cd toksiškumo inkstams išraiškai. Reaktyviosios deguonies rūšys susidaro, kai Cd daro toksinį poveikį inkstų kanalėlių ląstelėms [66], tačiau tiksliai nežinome, kaip skirtingi įvykiai įtakoja rezultatą. Tačiau yra įrodymų, kad žmonėms, ilgą laiką veikiamiems Cd, kanalėlių proteinurija išsivysto, kai Cd koncentracija inkstų žievėje viršija 80–200 mg/kg [3,19,67]. Nors turėtų būti įmanoma naudoti informaciją apie biocheminius būdus kiekybiniams rizikos vertinimams patikslinti, tokių patobulintų modelių dar nėra. 2 paveiksle pateiktas aiškinamasis modelis išlieka galiojantis, net jei jis neaprašo išsamių neseniai atrastų molekulinių kelių (žr. aukščiau ir apžvalgas [11,43]). Be to, Zn būsena yra svarbi, nes ji tikriausiai turi įtakos tikimybei, kad Cd pakeis Zn MT, ir tikimybei, kad Cd trukdys jautriems molekuliniams intraceluliniams taikiniams. Zn statuso svarba buvo užfiksuota žmonėms [68], gyvenantiems kadmiu užterštoje Kinijos vietovėje. Esant panašiai Cd ekspozicijai, žmonėms, kurių cinko būklė buvo gera, inkstų kanalėlių disfunkcija buvo žymiai mažesnė, palyginti su tais, kurių Zn kiekis serume ir plaukuose buvo mažas.
3 pav. Santykinė Cd (užpildyti apskritimai), Zn (atviri apskritimai) ir vario (juodieji taškai) koncentracijos (procentais) MT frakcijose, palyginti su visa MT koncentracija. MT buvo išskirtas iš triušių inkstų, kurių Cd poveikis buvo skirtingas [61].
4.3. Kadmio ir metalotioneino tyrimai su žmonėmis
4.3.1. Šlapimo metallotioneinas kaip inkstų disfunkcijos biomarkeris
Kaip minėta 3.4 skyriuje, didelė Cd dalis šlapime yra susieta su MT [31,45,69]. Kadangi inkstų kanalėlių disfunkcija reiškia nepakankamą visų mažos molekulinės masės baltymų (įskaitant MT) reabsorbciją iš pirminio šlapimo, padidės šių baltymų išsiskyrimas su šlapimu. Autoriai, kurie įrodė, kad Cd yra prijungtas prie MT šlapime, taip pat parodė, kad Cd veikiami asmenys, turintys kanalėlių disfunkciją, išskiria daugiau MT su šlapimu nei asmenys, neveikiantys Cd. Epidemiologiniame tyrime Shaikh ir kt., 1990 [70], kadmiu užterštoje Japonijos vietovėje gyveno 3168 vyrai ir moterys, ir nustatė, kad padidėjęs metalotionino išsiskyrimas tarp tų, kuriems yra Cd sukelta inkstų kanalėlių disfunkcija. Padidėjęs MT išsiskyrimas su šlapimu, susijęs su su Cd susijusiu inkstų funkcijos sutrikimu, taip pat buvo nustatytas kadmio paveiktiems darbuotojams [46] ir asmenims, sergantiems 2 tipo cukriniu diabetu [47].
4.3.2. Metallotioneino geno ekspresija periferiniuose limfocituose – audinių jautrumo kadmio toksiškumui biomarkeris
Ankstesniame tekste buvo apžvelgti įrodymai, rodantys, kad MT yra veiksmingas tarpląstelinis kadmio siurblys, mažinantis jo toksiškumą, surišdamas Cd daugelyje audinių (apžvalgos [60, 71]). Tyrimai su Cd paveiktais gyvūnais ir žmonėmis rodo Cd sukeltą MT sintezę kepenyse ir inkstuose. Atlikus periferinio kraujo limfocitų (PBL) Cd poveikį in vitro, MT ir MTmRNR indukuojamumas buvo išmatuotas RT PGR (ty MT geno ekspresija (MT-GE) [72]. Lu ir kt. [72] atliko tokius matavimus ir ištyrė galimą jų naudojimą kaip bendros audinių detoksikacijos biomarkerį MT. Jie įdarbino Cd paveiktus darbuotojus Guangsi provincijoje, Kinijoje. Be MT-GE matavimų, darbų tyrimuose buvo įtrauktas ir šlapimo Cd kaip poveikio biologinis žymeklis ir NAG šlapime (UNAG) kaip poveikio biomarkeris. Rezultatai parodė padidėjusį NAG (UNAG) kiekį šlapime, palyginti su padidėjusiu Cd kiekiu šlapime. Darbuotojų, kurių MTmRNR kiekis buvo didelis PBL, NAG kiekis šlapime buvo mažesnis nei tų, kurių NAG kiekis buvo mažas. MTmRNR lygis PBL [72], lyginant su panašiais UCd lygiais. Šie rezultatai patvirtina hipotezę, kad indukuotas MTmRNR lygis PBL atspindi MT ekspresijos lygį tiek PBL, tiek inkstų žievėje. MT-GE PBL, todėl gali gali būti naudojamas kaip audinių jautrumo kadmio toksiškumui biologinis žymeklis.
Kitame tyrime dalyvavo grupė iš bendrosios populiacijos [73]. Ūkininkų tyrimai Cd užterštoje vietovėje Kinijoje apėmė MT-GE matavimus PBL esant panašiam UCd lygiui, o tie, kurių MT-GE buvo daug, išskyrė mažiau NAG su šlapimu nei tie, kurių MT-GE buvo mažas (skirtumas statistiškai reikšmingas, kai UCd > 1 0µg/g Crea p < 0,001).
Minėti Cd paveiktų darbuotojų ir ūkininkų tyrimai rodo, kad MT-GE PBL gali būti naudojamas kaip jautrumo Cd toksiškumui biomarkeris. Tačiau šviežių PBL apdorojimas in vitro Cd yra sudėtingas lauko tyrimų reikalavimas. Reikia sukurti metodus, labiau tinkančius lauko tyrimams, ir šie metodai turėtų būti standartizuoti, kad laboratorijų rezultatus būtų galima palyginti [74]. Nors buvo ištirtos profesinio poveikio grupės [75], didelės populiacijos tyrimų dar nėra.
4.3.3. Autoantikūnai prieš MT kraujo plazmoje – jautrumo kadmio nefrotoksiškumui biomarkeris
Jin ir kt. [76] nustatė, kad metalams alergiškų pacientų serume dažnai būna padidėjęs antikūnų prieš MT kiekis. Šis atradimas paskatino mūsų susidomėjimą galimybe, kad tokie antikūnai gali trukdyti MT apsaugai gyvūnų ir žmonių audiniuose. Tai buvo bendras šių tyrimų pagrindas: Chen ir kt., 2006 [46] ELISA metodu išmatavo autoantikūnus prieš MT (MTab) kraujo plazmoje. Lydymosi darbuotojai ir kontrolieriai Hunano provincijoje, Kinijoje, matavome MTab kraujo plazmoje, UCd, UNAG ir UB2M (šlapimo beta{4}}mikroglobulinas). Buvo padidėjęs MTab lygis, palyginti su padidėjusiu UNAG arba UB2M. Esant panašiam UCd lygiui, kanalėlių disfunkcijos tikimybė buvo 4,2 (PI 1,2–14) asmenims, kurių MTab kiekis padidėjęs, palyginti su tais, kurių MTab lygis buvo mažas.
Eksperimentai su gyvūnais ir epidemiologiniai tyrimai rodo, kad cukrinis diabetas padidina jautrumą su Cd susijusiam inkstų funkcijos sutrikimui [77,78], apžvelgtas [3]. Chen ir kt. [47] Šanchajuje (Kinija), sergančių 2 tipo cukriniu diabetu, atliko tyrimą dėl MTab vaidmens inkstų kanalėlių disfunkcijos vystymuisi diabetikams. Matavimai apėmė MTab kraujo plazmoje, UCd, UNAG, UALB (šlapimo albuminą), UB2M ir daugybę foninių kintamųjų. UCd buvo 0.05–4,17, GM 0,38 ug/g crea. Pastebėtas statistiškai reikšmingas UNAG ir UB2M padidėjimas, palyginti su UCd, ir statistiškai reikšmingai didesnis kanalėlių disfunkcijos tikimybės santykis tarp tų, kurių MTab didelis, palyginti su mažu MTab.
Apibendrinant galima pasakyti, kad tyrimai parodė, kad tarp darbuotojų ir diabetu sergančių žmonių padidėjęs MTab kiekis buvo susijęs su didesniu kanalėlių inkstų funkcijos sutrikimo paplitimu, palyginti su tais, kurių MTab lygis buvo mažesnis. Taigi MTab kraujo plazmoje yra biomarkeris, rodantis, kad gali išsivystyti su Cd susijusi kanalėlių disfunkcija. Mes nežinome išsamaus šio poveikio mechanizmo, tačiau tikėtina, kad tai atspindi MT trikdymą audinių apsaugai.
5. Baigiamosios pastabos
Neigiamas Cd poveikis žmonių sveikatai pirmą kartą buvo praneštas prieš 160 metų, o mažos molekulinės masės Cd surišantis baltymas metalotioneinas (MT) buvo atrastas daugiau nei prieš 60 metų. Šioje apžvalgoje apibendrinti turimi įrodymai apie MT vaidmenį kadmio toksikologijoje, taikomi rizikos vertinimui. Jame daugiausia dėmesio buvo skiriama mūsų pačių išvadoms nuo 1970 m. ir vėlesniems metams ir buvo pateiktos pastabos dėl kitų išvadų, susijusių su tinkamumu ir tinkamumu rizikos vertinimui. Buvo pateikti įrodymai, patvirtinantys schemą (2 pav.), paaiškinančią Cd kinetiką ir sąveiką su inkstų taikiniais, kai atsiranda inkstų kanalėlių pažeidimas. Biomarkeriai, tokie kaip MT geno ekspresija periferinio kraujo limfocituose ir MT antikūnai kraujo plazmoje, buvo sukurti per pastaruosius dvidešimt metų (4 skyrius), kad būtų naudojami tobulinant epidemiologinius tyrimus ir padedant įvertinti riziką. Tačiau, mūsų žiniomis, šių biomarkerių naudojimas šiuo metu yra labai ribotas. Atkreipiame dėmesį, kad mūsų aiškinamoji kadmio toksikokinetikos ir toksikodinamikos inkstuose schema (2 pav.) vis dar yra visuotinai priimta ir šis toksikokinetinis ir toksikodinaminis modelis sėkmingai naudojamas kiekybiniams inkstų funkcijos sutrikimo rizikos, susijusios su Cd poveikiu, skaičiavimams. Tokie skaičiavimai suteikia vertingos epidemiologinių tyrimų išvadų perspektyvos (3.5 skirsnis). Atrodo, kad yra galimybių panaudoti daugiau turimų įrodymų atliekant rizikos vertinimus, pavyzdžiui, naudoti su MT susijusius biomarkerius ir atsižvelgti į Zn būsenos įtaką (4.1 skirsnis). Net ir nepatobulinus rizikos vertinimų, akivaizdu, kad labai mažas Cd poveikio lygis sukelia neigiamą poveikį inkstams ir kitiems žmogaus organams. Iš dalies remiantis šioje apžvalgoje apibendrintais įrodymais, pripažįstama, kad dabartinės Cd profesinės ribinės vertės dideles ir vidutines pajamas gaunančiose šalyse dažnai yra didesnės nei pageidaujama. Pavyzdžiui, ES vykdomi veiksmai dėl žemesnių vertybių. Kai kuriose mažas ir žemesnes vidutines pajamas gaunančiose šalyse, kuriose vykdoma amatinė nedidelės apimties kasyba, Cd ir kiti metalai patiria pernelyg didelį poveikį, todėl būtina skubiai pagerinti sąlygas. Tai labai svarbu šiuo metu, kai pasaulyje didėja metalų paklausa kovojant su klimato kaita. Tikimės, kad šioje apžvalgoje apibendrintų žinių pritaikymas padės pagerinti rizikos vertinimą ir sąlygas gyventojų grupėms, patiriančioms kadmio įvairiose šalyse.
Nuorodos
1. Sovet, U. Apsinuodijimas, kurį sukelia Sidabro valymui naudojami milteliai. Paspauskite. Med. 1858, 9, 69–70. (Prancūzų)
2. Landriganas, P.; Bose-O'Reilly, S.; Elbel, J.; Nordbergas, G.; Lucchini, R.; Bartramas, C.; Grandjean, P.; Mergler, D.; Moyo, D.; Nemery, B.; ir kt. Sumažinti ligas ir mirtį dėl amatų ir nedidelio masto kasybos (ASM) – skubus atsakingos kasybos poreikis augant pasaulinei mineralų ir metalų paklausai klimato kaitai švelninti. Aplinka. Sveikata 2022, spaudoje.
3. Nordbergas, GF; Akesson, A.; Nogawa, K.; Nordberg, M. 7 skyrius, II tomas Kadmis. In Handbook on the Toxicology of Metals, 5th ed.; Nordberg, GF, Costa, M., red.; Elsevier: Amsterdamas, Nyderlandai; Academic Press: Londonas, JK, 2022 m.; 141–196 p.
4. Margošas, M.; Vallee, BL Kadmio baltymas iš arklių inkstų žievės. J. Am. Chem. Soc. 1957, 79, 4813–4814. [CrossRef]
5. Piscator, M. Apie kadmio kiekį normaliuose žmogaus inkstuose kartu su ataskaita apie metalotioneino išskyrimą iš kadmiu paveiktų triušių kepenų. Nord. Hyg. Tidskr. 1964, 45, 7
6. (Švedų k.) 6. Nordberg, GF; Piscator, M.; Lind, B. Kadmio pasiskirstymas tarp pelių kepenų baltymų frakcijų. Acta Pharmacol. Toksikolis. 1971, 29, 456–470. [CrossRef]
7. Nordbergas, GF; Nordbergas, M.; Piscator, M.; Vesterberg, O. Dviejų formų triušio metalotioneino atskyrimas izoelektriniu fokusavimu. Biochem. J. 1972, 126, 491–498. [CrossRef]
8. Nordbergas, GF; Piscator, M.; Nordberg, M. Dėl kadmio pasiskirstymo kraujyje. Acta Pharmacol. Toksikolis. 1971, 30, 289–295. [CrossRef]
9. Nordberg, M.; Nordberg, GF Su metalotioneinu susieto kadmio ir kadmio chlorido pasiskirstymas pelėse. Aplinka. Sveikatos perspektyva. 1975, 12, 103–108. [CrossRef]
10. Kr˛e ˙zel, A.; Maret, W. Žinduolių metalotioneinų bioneorganinė chemija. Chem. Rev. 2021, 121, 14594–14648. [CrossRef]
11. Thévenod, F.; Wolff, NA Geležies transportavimas inkstuose: poveikis fiziologijai ir kadmio nefrotoksiškumui. Metallomika 2016, 8, 17–42. [CrossRef]
„Wecistanche“ – didžiausio cistansų eksportuotojo Kinijoje – pagalbinė tarnyba:
El. paštas:wallence.suen@wecistanche.com
WhatsApp / Tel.:+86 15292862950
Įsigykite daugiau specifikacijų:
https://www.xjcistanche.com/cistanche-shop
