Токсикология металлотионеина и кадмия — исторический обзор и комментарии Ⅱ

4. Токсичность кадмия и ее модуляция металлотионеинами.

Как упоминалось во введении, врачи-клиницисты впервые наблюдали токсическое действие соединений Cd. В 1858 году Совет сообщил [1] что респираторные и желудочно-кишечные симптомы возникали у людей, использующих полирующее средство, содержащее Cd. Более поздние публикации описывают токсическое воздействие на почки, печень и скелет, а также репродуктивную токсичность и рак у людей и животных (см.3]). Cd связывается с МТ во всех тканях (Раздел2) инеблагоприятное воздействие на легкие, скелет,печень и почки, а также рак [3,19], вероятно, будут модифицированы путем связывания с металлотионеинами. Однако исследований такого защитного действия в других тканях, кроме печени и почек, мало.

4.1. Токсичность кадмия для печени: роль металлотионеинов

Пискатор, 1964 [5] показал, что Cd связывается с МТ в печени животных, неоднократно подвергавшихся воздействию малых доз Cd. Он предположил, что МТ играет защитную роль при тканевой токсичности. Как упоминалось в разделе 3.3, соли Cd, вводимые экспериментальным животным в однократной большой дозе, попадают в первую очередь в печень, где вызывают повреждение. Wisniewska-Knypl и Jablonska 1970 [53] и Nordberg et al., 1971 [8] показали, что Cd связывается с МТ в печени животных, подвергшихся воздействию Cd, и предположили, что связывание обеспечит защиту от токсичности. После однократного приема большой дозы Cd наблюдалась печеночная токсичность, и связывание МТ с тканями печени не происходило в течение нескольких дней после приема [8]. Когда животным предварительно вводили небольшие дозы кадмия, а затем давали большую дозу, токсичности для печени не наблюдалось, и Cd связывался с МТ [8]. Геринг и Клаассен, 1984 [54] показали, что устойчивость к гепатотоксичности обусловлена ​​предварительно синтезированным МТ. Эти ранние исследования роли МТ в защите печени позже были продолжены и расширены детальными биохимическими и морфологическими исследованиями, обзор которых был сделан Sabolic et al., 2010 [43]. Однако, хотя токсичность для печени возникает у экспериментальных животных, получавших сравнительно большие дозы Cd, она не часто встречается у людей, поскольку в большинстве случаев воздействие происходит при более низких дозах в течение более длительных периодов времени. В следующем разделе основное внимание уделяется почечной токсичности, посколькуэффекты на почкиуже давно считаются и до сих пор считаются критическими эффектами при длительном воздействии Cd [19].

ЭКСТРАКТ ЦИСТАНХИ С 25% ЭХИНАКОЗИДОМ И 9% АКТЕОЗИДОМ ДЛЯ ПОЧЕК

4.2. Почечная токсичность кадмия: роль металлотионеинов и их содержание Cd/Zn

После однократного приема высокой дозы Cd появляются токсические эффекты в репродуктивных органах и печени. Через один или несколько дней после однократного приема у животных повышенная доля Cd в печени связывается с металлотионеинами, главным образом MT-1 и MT-2 [8,55]. Как упоминалось в разделе 3.3, связанный с МТ Cd высвобождается из печени в плазму крови и затем фильтруется через мембрану клубочков в почках. Из клубочкового фильтрата Cd-MT поглощается проксимальными почечными канальцами (рис. 2). В трубчатых клетках CdMT поступает в лизосомы [56], где ионы Cd высвобождаются из МТ и достигают других субклеточных органелл. Более поздние результаты были проанализированы Sabolic 2010 [43]. Высвобожденные ионы Cd вызывают повреждение почечных канальцев, если нет защитного МТ, способного связывать высвободившийся Cd. Введенная болюсная доза CdMT животным, ранее не подвергавшимся воздействию кадмия, вызовет повреждение почечных канальцев при концентрации во всей почке 9 мкг/г сырого веса. что соответствует уровню коры почек 11 мкг/г, как было показано в 1975 году [57]. Для того чтобы вызвать повреждение почечных канальцев у животных при длительном воздействии кадмия, необходимы гораздо более высокие уровни в тканях, например, в исследованиях Nordberg et al., 1971 [8] и Nordberg and Piscator 1972 [58] канальцевая токсичность у почках не появлялось до тех пор, пока концентрация во всей почке не достигала 130–170 мкг/г. Нордберг и др., 1975 [57] предложили объяснение различных уровней токсичности в тканях. После однократной инъекции CdMT быстрый транспорт и поглощение CdMT в почечных канальцах вызывает внутриклеточное высвобождение значительных количеств ионов Cd, поскольку они высвобождаются из МТ при деградации белка. Такое высвобождение вызывает токсичность почечных канальцев при относительно низких уровнях Cd во всей ткани. Эти уровни (около 10 мкг/г ткани) будут минимальными уровнями в коре почек при повреждении канальцев кадмием. При длительном воздействии; более высокие уровни общего содержания Cd в тканях переносятся, поскольку есть время для локального синтеза МТ, изолирующего ионы Cd. При длительном воздействии трубчатыеповреждение почекпроисходит на еще более высоких уровнях ткани, когда достигается максимальный уровень локального синтеза МТ. Тогда секвестрирующее действие МТ будет недостаточным. Nordberg et al., 1994 [59] также показали защитное действие тканевыхМТ в почках, секвестрирующий Cd из чувствительных мембранных участков связывания в почечных канальцах животных, которым вводили CdMT. Другие ученые впоследствии подтвердили эти результаты [41,42] на мышах с нулевым MT. У таких мышей накопление Cd в почках ограничено и поскольку отсутствует МТ-защитапочечная ткань,повреждение почекпроисходит на низких тканевых уровнях (см. также [60]).

Исследования Элиндера и др. (1987) [61] на животных, подвергшихся воздействию Cd (с интактным синтезом МТ), показали, что во фракциях МТ (МТ-1 и МТ-2), выделенных из почек с помощью гельхроматографии, молярное соотношение Cd/Zn увеличивается с увеличением уровня МТ в ткани почек (рис. 3). Уровень МТ пропорционален уровню Cd в тканях и совокупному воздействию Cd. Изменение отношения Cd/Zn происходит потому, что Cd сильнее связывается с SH-группами в МТ, чем Zn. Таким образом, Cd заменяет Zn в белке. Когда соотношение Cd/Zn в МТ низкое, клетки получают защиту от токсичности Cd. Когда коэффициент Cd/Zn увеличивается, становится меньше Zn-сайтов, с которыми Cd может взаимодействовать, и защита становится менее эффективной. При 0,1 ммоль МТ, т.е. 0,5 ммоль Cd (55 мг Cd/кг) в корковом веществе почек защита нарушается и повышается восприимчивость к канальцевой дисфункции. При коэффициенте Cd/Zn, равном 6, т.е. 6 из 7 мест связывания металлов в МТ заняты Cd, у всех животных наблюдалась почечная дисфункция (при 0,4–0,5 ммоль МТ Рисунок 3). МТ, у которого почти все сайты связывания заняты Cd, не могут связывать больше Cd, и секвестрирующая функция МТ исчерпывается. Результаты показывают, как МТ защищает клетки от Cd. Эти данные объясняют, почему существует защита до определенной критической концентрации в клетках почечных канальцев. Когда общая концентрация Cd в клетках превышает этот уровень, возникают токсические эффекты из-за вмешательства Cd в Zn-зависимые ферменты и функции мембран [62,63]. Эти данные подтверждают модель (рис. 2), согласно которой CdMT после поглощения клетками почечных канальцев и переноса в лизосомы высвобождает Cd, который нарушает клеточную функцию [56,59,64]. Некоторые данные [65] предполагают роль транспортера цинка ZIP8 в проявлении почечной токсичности Cd. Активные формы кислорода образуются, когда Cd оказывает токсическое воздействие на клетки почечных канальцев [66], но мы не знаем точно, как различные события влияют на результат. Однако имеются данные о том, что у людей, подвергавшихся длительному воздействию Cd, канальцевая протеинурия развивается, когда концентрация Cd в корковом веществе почек превышает 80–200 мг/кг [3,19,67]. Хотя должна быть возможность использовать информацию о биохимических путях для уточнения количественной оценки риска, такие уточненные модели пока недоступны. Объяснительная модель на рисунке 2 остается актуальной, даже если она не описывает подробные молекулярные пути, недавно открытые (см. выше и обзоры [11,43]). Кроме того, статус Zn важен, поскольку он, вероятно, влияет на вероятность замены Cd Zn в МТ и вероятность взаимодействия Cd с чувствительными молекулярными внутриклеточными мишенями. Важность статуса Zn была документально подтверждена у людей [68], проживающих в загрязненной кадмием зоне Китая. При сопоставимом воздействии Cd у лиц с хорошим статусом цинка наблюдалась значительно более низкая распространенность дисфункции почечных канальцев по сравнению с лицами с низким содержанием Zn в сыворотке и волосах.

Рисунок 3. Относительные концентрации (в процентах) Cd (закрашенные кружки), Zn (светлые кружки) и меди (черные точки) во фракциях МТ по отношению к общей концентрации МТ. МТ был выделен из почек кроликов с различной экспозицией Cd [61].

4.3. Исследования кадмия и металлотионеина на людях

4.3.1. Мочевой металлотионеин как биомаркер дисфункции почек

Как упоминалось в разделе 3.4, большая часть Cd в моче связана с МТ [31,45,69]. Поскольку дисфункция почечных канальцев означает недостаточную реабсорбцию всех низкомолекулярных белков (включая МТ) из первичной мочи, экскреция этих белков с мочой будет повышена. Авторы, показавшие, что Cd связывается с МТ в моче, также показали, что у лиц, подвергшихся воздействию Cd, с дисфункцией канальцев, выделяется больше МТ с мочой, чем у лиц, не подвергавшихся воздействию Cd. В эпидемиологическом исследовании Shaikh et al., 1990 [70] приняли участие 3168 мужчин и женщин в загрязненном кадмием районе Японии и обнаружили повышенную экскрецию металлотионеина среди лиц с кадмий-индуцированной дисфункцией почечных канальцев. Повышенная экскреция МТ с мочой в связи с возникновением кадмий-зависимой почечной дисфункции также была обнаружена у рабочих, подвергшихся воздействию кадмия [46] и у лиц с диабетом 2 типа [47].

4.3.2. Экспрессия гена металлотионеина в периферических лимфоцитах – биомаркера чувствительности тканей к токсичности кадмия

В приведенном выше тексте рассмотрены доказательства того, что МТ служит эффективным внутриклеточным поглотителем кадмия, снижая его токсичность за счет связывания Cd в ряде тканей (обзоры [60,71]). Исследования на животных и людях, подвергшихся воздействию Cd, показывают индуцированный Cd синтез МТ в печени и почках. При воздействии Cd на лимфоциты периферической крови (PBL) in vitro индуцируемость MT и MTmRNA измеряли с помощью RT-PCR (т.е. экспрессии гена MT (MT-GE) [72]. Lu et al. [72] выполнили такие измерения и исследовали их возможное использование в качестве биомаркера общей детоксикации тканей с помощью МТ. Они набрали рабочих, подвергшихся воздействию Cd в провинции Гуанси, Китай. В дополнение к измерениям MT-GE, исследования работ включали Cd в моче в качестве биомаркера воздействия и NAG в моче (UNAG) как биомаркер эффекта.Результаты показали повышенный уровень NAG в моче (UNAG) по сравнению с повышенным уровнем Cd в моче.Рабочие с высоким уровнем MTmRNA в PBL имели более низкие уровни NAG в моче, чем работники с низким Уровни MTmRNA в PBL [72] при сравнении с аналогичными уровнями UCd. Эти результаты подтверждают гипотезу о том, что индуцированный уровень MTmRNA в PBL отражает уровень экспрессии MT как в PBL, так и в коре почек. Таким образом, MT-GE в PBL может быть использован в качестве биомаркера чувствительности тканей к токсичности кадмия.

Другое исследование включало группу населения в целом [73]. Исследования фермеров в районе, загрязненном кадмием, в Китае включали измерения MT-GE в PBL при сопоставимых уровнях UCd, при этом у фермеров с высоким уровнем MT-GE выделялось меньше NAG с мочой, чем у тех, у кого был низкий MT-GE (разница статистически значима при UCd > 1). 0мкг/г Crea p < 0,001).

Упомянутые исследования на рабочих и фермерах, подвергшихся воздействию Cd, показывают, что MT-GE в PBL может использоваться в качестве биомаркера восприимчивости к токсичности Cd. Однако обработка свежих PBL Cd in vitro является обязательным требованием в полевых исследованиях. Существует необходимость в разработке методов, более подходящих для полевых исследований, и эти методы должны быть стандартизированы, чтобы результаты были сопоставимы между лабораториями [74]. Хотя группы, подвергающиеся профессиональному воздействию, были изучены [75], крупные популяционные исследования пока недоступны.

4.3.3. Аутоантитела к МТ в плазме крови – биомаркер чувствительности к нефротоксичности кадмия

Джин и др. [76] обнаружили высокую частоту повышенного уровня антител против МТ в сыворотке крови пациентов с аллергией на металлы. Это открытие стимулировало наш интерес к возможности того, что такие антитела могут нарушать защиту МТ в тканях животных и человека. Это послужило общей предпосылкой для следующих исследований: Chen et al., 2006 [46] измеряли аутоантитела против МТ (MTab) в плазме крови методом ИФА. У рабочих металлургических заводов и контрольной группы в провинции Хунань, Китай, мы измеряли MTab в плазме крови, UCd, UNAG и UB2M (мочевой бета-2-микроглобулин). Были повышенные уровни MTab по сравнению с повышенным уровнем UNAG или UB2M. При сопоставимых уровнях ЯКД отношение шансов канальцевой дисфункции составляло 4,2 (ДИ 1,2–14) у лиц с повышенным уровнем MTab по сравнению с лицами с низким уровнем MTab.

Эксперименты на животных и эпидемиологические исследования доказывают, что диабет приводит к повышенной чувствительности к развитию кадмий-зависимой дисфункции почек [77,78], рассмотренной в [3]. Чен и др. [47] провели исследование роли MTab в развитии дисфункции почечных канальцев среди диабетиков в Шанхае, Китай, с диабетом 2 типа. Измерения включали MTab в плазме крови, UCd, UNAG, UALB (мочевой альбумин), UB2M и ряд фоновых переменных. UCd составлял 0.05–4,17, GM 0,38 мкг/г крема. Наблюдалось статистически значимое увеличение UNAG и UB2M по отношению к ЯКД, а также статистически значимо более высокое отношение шансов тубулярной дисфункции среди лиц с высоким уровнем MTab по сравнению с низким MTab.

Таким образом, исследования показали, что среди рабочих и диабетиков повышенные уровни MTab были связаны с более высокой распространенностью дисфункции канальцевых почек по сравнению с теми, у кого были более низкие уровни MTab. Таким образом, MTab в плазме крови является биомаркером предрасположенности к развитию кадмий-зависимой канальцевой дисфункции. Мы не знаем детального механизма этого эффекта, но, вероятно, он отражает вмешательство МТ в защиту тканей.

5. Заключительные замечания

О неблагоприятном воздействии Cd на здоровье человека впервые было сообщено 160 лет назад, а низкомолекулярный кадмий-связывающий белок металлотионеин (МТ) был открыт более 60 лет назад. В настоящем обзоре обобщены имеющиеся данные о роли МТ в токсикологии кадмия применительно к оценке риска. Он сосредоточился на наших собственных выводах, начиная с 1970-х годов и позднее, и дал комментарии к другим выводам, касающимся актуальности и применимости при оценке рисков. Были представлены доказательства, подтверждающие схему (рис. 2), объясняющую кинетику Cd и его взаимодействие с почечными мишенями при повреждении канальцев почек. Биомаркеры, такие как экспрессия гена МТ в лимфоцитах периферической крови и антитела к МТ в плазме крови, были разработаны за последние двадцать лет (раздел 4) для использования в уточнении эпидемиологических исследований и для помощи в оценке риска. Однако, насколько нам известно, использование этих биомаркеров в настоящее время очень ограничено. Отметим, что наша схема объяснения токсикокинетики и токсикодинамики кадмия в почках (рис. 2) до сих пор является общепринятой и эта токсикокинетическая и токсикодинамическая модель успешно используется для количественных расчетов рисков нарушения функции почек в связи с воздействием Cd. Такие расчеты дают ценную информацию о результатах эпидемиологических исследований (раздел 3.5). Кажется, существуют возможности использовать больше имеющихся данных при оценке риска, например, использовать биомаркеры, связанные с МТ, и учитывать влияние статуса Zn (раздел 4.1). Даже без таких уточнений оценки риска очевидно, что очень низкие уровни воздействия Cd приводят к неблагоприятному воздействию на почки и другие органы человека. Частично на основе данных, обобщенных в настоящем обзоре, признается, что нынешние профессиональные предельные значения Cd в странах с высоким и средним уровнем дохода часто превышают желаемые. Действия по снижению значений предпринимаются, например, в ЕС. В некоторых странах с низким уровнем дохода и уровнем дохода ниже среднего, где продолжается кустарная мелкомасштабная добыча полезных ископаемых, наблюдается чрезмерное воздействие Cd и других металлов, и существует острая необходимость в улучшении условий. Это очень важно в настоящее время, когда растет глобальный спрос на металлы для борьбы с изменением климата. Мы надеемся, что применение знаний, обобщенных в этом обзоре, поможет улучшить оценку риска и условий для групп населения, подвергающихся воздействию кадмия в различных странах.

Рекомендации

1. Совет, Ю. Отравление порошками, применяемыми при чистке серебра. Пресс. Мед. 1858, 9, 69–70. (На французском)

2. Ландриган, П.; Бозе-О'Рейли, С.; Эльбель, Дж.; Нордберг, Г.; Луккини, Р.; Бартрам, К.; Гранжан, П.; Мерглер, Д.; Мойо, Д.; Немери, Б.; и другие. Снижение заболеваемости и смертности в результате кустарной и мелкомасштабной добычи полезных ископаемых (КМП) – острая необходимость ответственной добычи полезных ископаемых в контексте растущего глобального спроса на минералы и металлы для смягчения последствий изменения климата. Окружающая среда. Здоровье-2022, в печати.

3. Нордберг, Г.Ф.; Акессон, А.; Ногава, К.; Нордберг, М. Глава 7 Том II Кадмий. В Справочнике по токсикологии металлов, 5-е изд.; Нордберг Г.Ф., Коста М., ред.; Elsevier: Амстердам, Нидерланды; Academic Press: Лондон, Великобритания, 2022 г.; стр. 141–196.

4. Маргошес, М.; Валле, Б.Л. Кадмиевый белок из коры головного мозга лошади. Варенье. хим. Соц. 1957, 79, 4813–4814. [Перекрестная ссылка]

5. Пискатор М. О кадмии в нормальных почках человека вместе с отчетом об выделении металлотионеина из печени кроликов, подвергшихся воздействию кадмия. Норд. Гиг. Тидскр. 1964, 45, 7

6. (На шведском языке) 6. Нордберг, Г.Ф.; Пискатор, М.; Линд, Б. Распределение кадмия среди белковых фракций печени мыши. Акта Фармакол. Токсикол. 1971, 29, 456–470. [Перекрестная ссылка]

7. Нордберг, Г.Ф.; Нордберг, М.; Пискатор, М.; Вестерберг, О. Разделение двух форм кроличьего металлотионеина путем изоэлектрического фокусирования. Биохим. Дж. 1972, 126, 491–498. [Перекрестная ссылка]

8. Нордберг, Г.Ф.; Пискатор, М.; Нордберг, М. О распределении кадмия в крови. Акта Фармакол. Токсикол. 1971, 30, 289–295. [Перекрестная ссылка]

9. Нордберг, М.; Нордберг, Г.Ф. Распределение связанного с металлотионеином кадмия и хлорида кадмия у мышей. Окружающая среда. Перспектива здоровья. 1975, 12, 103–108. [Перекрестная ссылка]

10. Крше Зель, А.; Марет, В. Бионеорганическая химия металлотионеинов млекопитающих. хим. Ред. 2021, 121, 14594–14648. [Перекрестная ссылка]

11. Тевенод, Ф.; Вольф, Н.А. Транспорт железа в почках: последствия для физиологии и нефротоксичности кадмия. Металломика 2016, 8, 17–42. [Перекрестная ссылка]

Служба поддержки Wecistanche-крупнейшего экспортера цистаншей в Китае:

Электронная почта:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Телефон:+86 15292862950

Магазин для получения дополнительных технических характеристик:

https://www.xjcistanche.com/cistanche-shop

ПОЛУЧИТЕ НАТУРАЛЬНЫЙ ОРГАНИЧЕСКИЙ ЭКСТРАКТ ЦИСТАНШИ С 25% ЭХИНАКОЗИДОМ И 9% АКТЕОЗИДОМ ПРИ ИНФЕКЦИИ ПОЧЕК