Expositionsquellen
In der vorliegenden Arbeit haben wir die Verteilung von Gd innerhalb des kortikalen Knochengewebes und seine Korrelation mit den anderen nachgewiesenen Elementen demonstriert. Aus der Anamnese des Patienten ist bekannt, dass die MRT 8 Monate vor der Biopsie durchgeführt wurde, es bleibt jedoch unbekannt, ob ein Kontrastmittel verwendet wurde. Daher können wir nicht behaupten, dass das Gd-Signal von der Retention dieses einzelnen Expositionsereignisses stammt. Es ist fair zu beachten, dass andere als CE-MRT Quellen der Exposition gegenüber Gd möglich sind29,30.
Der Abbau und die Verarbeitung von Seltenerdelementen (REE) kann in diesem Zusammenhang erwähnt werden, obwohl die Berichte über die berufliche Exposition, die mit anderen negativen gesundheitlichen Folgen als Pneumokoniose verbunden ist, sporadisch sind. In: Li et al. gefunden höhere Harnspiegel von La, Nd, Ce und Gd bei exponierten Arbeitern Umgang mit Ce und La Oxide ultrafeinen Partikeln und Nanopartikeln im Vergleich zu nicht-exposed31, jedoch das nächste Papier aus der Gruppe (vermutlich auf den gleichen Themen), auf Kreatinin angepasst Harnspiegel von REEs, zeigte keinen signifikanten Unterschied in Gadoliniumspiegel32. Wir konnten keine Berichte über die Ablagerung von Gadolinium in beruflich exponierten Probanden finden.
In den letzten Jahren wurde die anthropogene Gd-Verschmutzung, insbesondere in aquatischen Systemen, zu einem Thema umfangreicher Forschung33,34,35. Wir bezweifeln jedoch, dass die niedrigen Konzentrationen von Gd in Leitungswasser zu der gefundenen Akkumulation im Knochengewebe führen könnten; und angesichts der beruflichen Vorgeschichte des wahrscheinlichen Probanden ist die Wahrscheinlichkeit einer vermutlichen beruflichen Exposition gegenüber erhöhten Konzentrationen von Gadolinium gering.
Unsere Hypothese ist, dass die in dieser Studie gemachten Beobachtungen im Allgemeinen charakteristisch für die Gd-Aufnahme durch Knochen sein könnten, unabhängig von der Quelle. Bildgebungsexperimente an einer größeren Anzahl von Biopsien von Patienten mit bekannter Gd-Exposition in der Anamnese sind erforderlich, um die Gd-Akkumulation / -retention in Bezug auf die Quelle systematisch zu bestimmen und sollen nach dieser Pionierstudie durchgeführt werden.
Analyse ex vivo, Lokalisation im Knochen
Bisher wurde die Gd-Retention im Knochen in großen Mengen untersucht, und in vielen Fällen wurden ICP-basierte Techniken für die Analyse verwendet16,17,36,37. Untersuchungen mit induktiv gekoppelter Plasma-Atomemissionsspektroskopie (ICP-AES) und ICP-MS verglichen lineares GBCA (Omniscan) mit makrozyklischem (ProHanse) und zeigten bei linearem Kontrastmittel eine höhere Retention im Knochen36,37. Eine Untersuchung mit SEM-EDS für die Analyse ergab, dass kein Gd im Knochen nachgewiesen wurde. Dies kann an den Nachweisgrenzen der gewählten Methode oder an der vorangegangenen Probenvorbereitung liegen, da die Probe entkalkt wurde14. Während die Nachweisgrenzen von EDS typischerweise um 0 liegen.5 gew.-% weist die SR-RFA-Spektrometrie (wie in der vorliegenden Studie eingesetzt) eine viel höhere Empfindlichkeit bis Sub-ppm24 auf, wodurch diese Methode besser für die lokale Analyse von Spurenelementen wie Gd geeignet ist. Tatsächlich liegen die zu erwartenden Gd-Konzentrationen im Knochen nach GBCA-Exposition innerhalb weniger ppm, was durch die Massenmessungen (bis zu 1,77 µg Gd / g knochen37) und In-vivo-Experimente (Mittelwert 1,19 µg Gd / g knochen19) gestützt wird.
Da die Konzentration von Gadolinium in den detektierten Strukturen von erheblichem Interesse ist, haben wir versucht, den lokalen Gd-Gehalt zu quantifizieren – und die Maximalwerte im Bereich von 70-270 µg / g erhalten (lokal detektierte Maximalkonzentration, indikativ, nicht zu verwechseln mit den oben genannten Werten!) – das detaillierte Verfahren ist in ergänzendem Material beschrieben. Dies korreliert gut mit den Ergebnissen eines vergleichbaren elementaren Bildgebungsexperiments mit Hautbiopsie, bei dem die Hot-Spot-Konzentrationen in Gd-Karten 100 µg / g überschreiten38.
Durch Korrelation von Elementkarten, die an ANKA-Synchrotron- und qBEI-Bildern erhalten wurden, konnten wir die histologischen Strukturen zuordnen, die anfällig für Gd-Akkumulation zu sein scheinen, nämlich (i) Zementlinien und (ii) vaskuläre Porenwände (Schnittstelle zu Haversian / Volkmann-Kanälen). Es ist denkbar, dass die Ablagerung innerhalb der Wände von Kanälen auf die direkte Nähe zu den Blutgefäßen zurückzuführen ist, die nach der Exposition den Hauptabgabeweg von Gd darstellen. Die Zementlinien markieren die Osteongrenzen, sie sind mineralreich und kollagenarm (im Vergleich zur mineralisierten Matrix des Osteons) und enthalten auch nicht kollagene Proteine wie Osteopontin, Glykosaminoglykane, Osteocalcin und Knochensialoprotein39. Die Zementlinien werden in der Umkehrphase der Osteonbildung (d.h. vor der Bildung der neuen sequentiellen Lamellen) 40 abgelegt. Unter der Annahme, dass die vorübergehende Gd-Exposition in dieser Phase der Osteonbildung auftrat, ist es plausibel, dass Gd in die Zusammensetzung der Zementlinie und benachbarter Lamellen einbezogen werden kann.
Korrelation mit anderen Elementen, mögliche Mechanismen der Retention
Die Korrelation von Gd mit anderen Elementen kann Aufschluss über die chemische Umgebung von Gd in den Akkumulationen und über den Mechanismus der Retention geben. Daten zu Gd-Ablagerungen in der Haut deuten auf eine Kolokalisierung mit Elementen wie Ca hin, P und Zn. Abraham et al. beobachtete Gd in Verbindung mit Ca von SIMS10. In: Birka et al. verwendete LA-ICP-MS und kam zu dem Schluss, dass übereinstimmende Gd- und P-Verteilungen auf das Vorhandensein unlöslicher Ablagerungen von GdPO4 im Gewebeschnitt hindeuten; und die Gd- und Ca-Korrelation könnte darauf hindeuten, dass Gd kalziumhaltige Ablagerungen verursacht, die eine Verkalkung auslösen11. George et al. untersuchte die Gd-Akkumulation in der von NSF betroffenen Haut unter Verwendung von SR-XRF und fand eine klare Korrelation zwischen Gd-, Ca- und P-Verteilungen, und die Verwendung der Extended Absorption Fine Structure Spectroscopy (EXAFS) erlaubte ferner die Annahme, dass Gd in Form von GdPO4-ähnlichen Strukturen vorhanden ist13. Eine inhomogene Zn-Verteilung wurde auch in den Gd- und Ca-Ablagerungen gefunden, obwohl der Schluss gezogen wurde, dass Zn keine einfache Korrelation mit diesen Elementen in der Haut zeigt. Zur gleichen Zeit, Hoch et al. auch mit der Verwendung von SR-XRF beobachtet Kolokalisierung von Gd, Ca und Zn in Hautgewebe und Hypothese, dass Ca und Zn Verschiebung von Gd aus dem Chelatbildner erleichtern12. Interessante Ergebnisse wurden von Clases et al. In der Haut korrelierte die elementare Verteilung von Gd, P, Ca und Zn in Lage und Form, was auf die Häufigkeit unlöslicher Phosphatspezies hinweist, während im Gehirn Korrelationen und Kolokalisierung von Gd mit P, Ca, Zn sowie Fe beobachtet wurden38.
Der Mechanismus des Gd-Einbaus in den Knochen ist jedoch trotz aller laufenden Forschung unbestimmt, und die Form, in der es abgelagert wird, ist nicht bekannt. Die Untersuchung der räumlichen Verteilung von Gd innerhalb des Knochens kann dazu beitragen, dies zu verstehen, und solche Studien werden angefordert41. Obwohl sich der Hautablagerungsmechanismus von der Akkumulation im Knochen unterscheiden könnte, fanden wir auch Gd in verkalkten Regionen. In: Darrah et al. vorgeschlagen, dass ionisches Gd3 +, das aus Gd-Chelaten freigesetzt wird, anschließend in die kohlensäurehaltige Calciumhydroxylapatit-Mineralphase von bone17 eingebaut wird. Ein solcher Prozess, die sogenannte „Transmetallation“, bei der das Molekül von GBCA angeblich in in vivo Umgebung bezieht sich auf die Konkurrenz zwischen endogenen Kationen (Fe3 +, Zn2+, Mg2+, Ca2+ usw.) und Gd3+ sowie zwischen endogenen Anionen (Carbonat, Hydroxid, Phosphat usw.) und der Ligand. Die Ca-Transmetallation wird durch Gd-Ähnlichkeit zu Ca unterstützt, die Ionenradien der Ionen betragen 107,8 pm für Gd und 114 pm für Calcium. In diesem Zusammenhang möchten wir unsere vorherige Studie zum Sr-Einbau in den Knochen erwähnen, da Sr auch chemisch ähnlich zu Ca ist. Bei Patienten, die Sr-Ranelat zur Behandlung von Osteoporose erhielten, wurde Sr überwiegend in der neu gebildeten Knochenmatrix gefunden (gebildet in der Periode erhöhter Sr-Serumspiegel) und es wurde in die Hydroxylapatitkristalle eingebaut, die die Kristallgitterkonstante änderten / erhöhten42,43. Daher könnten wir die Hypothese aufstellen, dass die Gd-Retention von der gleichen Art ist, was durch Speziationsanalyse weiter beurteilt werden kann.
Der andere mögliche Transmetallations-Konkurrent ist Zn, was bereits durch einige der oben diskutierten Ex-vivo-Messungen von Hautablagerungen vorgeschlagen wurde. Im Jahr 2010, S. Greenberg veröffentlichte einen Fallbericht über einen Patienten mit chronischer Zn-Vergiftung, der auf eine mögliche Gd-Retention aufgrund einer Gd-Zn-Transmetallation hinweist44. Mit unseren Messungen an Diamantlichtquellen und ESRF-Synchrotrons mit Submikrometerstrahlen konzentrierten wir uns auf die Gd-Strukturen innerhalb des mineralisierten Knochens. Diese bildgebenden Experimente zeigten eine lokale Überlappung von Gd und Zn. Obwohl ihre Verteilungsmuster nicht gleich sind, scheint Gd nur in den Bereichen mit hohem Zn-Gehalt vorhanden zu sein. Die bisherigen Untersuchungen unserer Gruppe zeigten einen hohen Gehalt an Zn, Pb und Sr in den Zementlinien22. Die vorliegenden Ergebnisse, die Interdependenzen zwischen Gd und Zn zeigen, könnten die Gd-Zn-Transmetallation als Mechanismus der Gd-Retention unterstützen.
Bedeutung und mögliche Toxizität
Gadolinium gehört zur Gruppe der Seltenerdelemente, kommt normalerweise nicht in lebenden Organismen vor und ist in seiner freien ionischen Gd3 + -Form3 hochtoxisch. Knochengewebe ist metabolisch aktiv und wird kontinuierlich umgebaut. Daher ist eine langsame endogene Gd-Freisetzung in den Blutkreislauf wahrscheinlich, und das Risiko ist bei Patienten mit erhöhter Knochenresorption (Schwangerschaft, Stillzeit, während der Menopause; bei osteoporotischen Patienten)noch höher 17,45. Die Zunahme der Sicherheitsbedenken hinsichtlich der Verwendung von GBCAs löste Tierversuche aus, bei denen die Gd-Retention durch verschiedene Gewebe unter einmaliger oder wiederholter Verabreichung von GBCAs bei gesunden Tieren sowie in induzierten Krankheitsmodellen untersucht wurde. Jost et al. vergleich linearer und makrozyklischer GBCAs in Bezug auf die Gehirnablagerung bei Ratten nach 2 Wochen wiederholter Verabreichung unter Verwendung von LA-ICP-MS46. Eine bisher unbekannte Stelle der Gd-Akkumulation wurde von Delfino et al., die Gd-Ablagerung im parodontalen Gewebe im Mausmodell mit induzierter Nierenerkrankung unter Verwendung von SR-XRF und LA-ICP-MS47 beobachteten. Interessante Ergebnisse, die eine differentielle Akkumulation von Gd durch verschiedene Knochengewebe zeigen – kortikal, Trabekelknochen und Knochenmark bei jugendlichen und erwachsenen Ratten durch ICP-MS wurden von Fretellier et al.48. Eine interessante Forschungslinie – die Verwendung von GBCAs in der Schwangerschaft und die mögliche Wirkung von Gd auf den Fötus – wurden von Prola-Netto et al. bei Rhesusaffen, und obwohl nur extrem niedrige Gd-Werte in juvenilen Geweben nach In-utero-Exposition gefunden wurden, wurde der Femur bei allen Tieren als Ort konsistenter Gd-Retention identifiziert49. Bisher wurden jedoch keine Studien zur Aufklärung der Mechanismen des Gd-Einbaus in den Knochen sowie seines weiteren Schicksals durchgeführt, weshalb Tiermodelle und Studien mit humanen Biopsien erforderlich sind50.
Das Wissen über die Ablagerung von Gd aus GBCAs im Knochen ist von Bedeutung, insbesondere im Hinblick auf kürzlich gewonnene Beweise für sein Akkumulationsverhalten im Hirngewebe und mögliche Risiken im Zusammenhang mit der Toxizität von freiem Gd. Nach unserem besten Wissen sind diese Messungen der erste Versuch, Gd-Akkumulationen im Knochengewebe abzubilden, was von außergewöhnlichem Wert für das Verständnis der Mechanismen der Gd-Retention und ist, des Weiteren, für Vorhersagen zur Sicherheit von GBCAs.
Ausblick
Zusammenfassung der wichtigsten Fragen für die weitere Forschung, auf die wir uns konzentrieren sollten: (i) systematische Analyse von Biopsien von Patienten mit bekannter GBCA-Aufnahme in der Anamnese im Vergleich zu Kontrollen ohne klinische Gd-Exposition, (ii) Tierstudien, in denen Gd-supplementierte und Kontrolltiere verglichen wurden, um Akkumulationsmuster für kontinuierliche sowie Kurzzeitexpositionsereignisse zu unterscheiden, (iii) Quantifizierung von Gd innerhalb von Knochen, die mit matrixangepassten Standards erreicht werden kann (die anderen elementaren Bildgebungsverfahren wie LA-ICP-MS und SIMS könnten ebenfalls angewendet werden); (iv) Die Speziation des abgelagerten Gd muss durchgeführt werden, z. durch XANES und EXAFS Kenntnisse über die spezifische chemische Form zu erlangen, die für die Vorhersage der möglichen Gesundheitsgefährdung (Toxizität) unerlässlich ist.