Fonti di esposizione
Nel presente articolo abbiamo dimostrato la distribuzione di Gd all’interno del tessuto osseo corticale e la sua correlazione con gli altri elementi rilevati. È noto dalla storia del paziente, che la risonanza magnetica è stata eseguita 8 mesi prima della biopsia, ma non è noto se sia stato utilizzato un agente di contrasto. Quindi, non possiamo affermare che il segnale Gd provenga dalla ritenzione da questo singolo evento di esposizione. È giusto notare che,oltre alla CE-MRI, sono possibili fonti di esposizione a Gd29, 30.
L’estrazione e la lavorazione degli elementi delle terre rare (REE) possono essere menzionate a questo proposito, sebbene i rapporti sull’esposizione professionale associata a risultati negativi sulla salute diversi dalla pneumoconiosi siano sporadici. Li et al. sono stati riscontrati livelli urinari più elevati di La, Nd, Ce e Gd in lavoratori esposti che si occupano di particelle ultrafine e nanoparticelle di ossidi di Ce e La rispetto ai non esposti31, tuttavia il successivo documento del gruppo (presumibilmente sugli stessi soggetti), sui livelli urinari di REES aggiustati per la creatinina, non ha mostrato differenze significative nei livelli di gadolinio32. Non siamo stati in grado di trovare rapporti sulla deposizione di gadolinio in soggetti esposti a radiazioni.
Negli ultimi anni l’inquinamento da Gd antropogenico, specialmente nei sistemi acquatici, è diventato un argomento di vasta ricerca33,34,35. Tuttavia, dubitiamo che le basse concentrazioni di Gd nell’acqua del rubinetto potrebbero portare all’accumulo trovato nel tessuto osseo; e data la probabile storia professionale del soggetto, la probabilità di un’esposizione professionale presumibile a concentrazioni elevate di gadolinio è remota.
La nostra ipotesi è che le osservazioni fatte in questo studio potrebbero essere generalmente caratteristiche per l’assorbimento di Gd da parte dell’osso, indipendentemente dalla fonte. Sono necessari esperimenti di imaging su un numero maggiore di biopsie di pazienti con storia nota di esposizione a Gd per determinare sistematicamente l’accumulo/la ritenzione di Gd rispetto alla fonte e sono pianificati per essere eseguiti dopo questo studio pionieristico.
Analisi ex vivo, localizzazione all’interno dell’osso
Ad oggi la ritenzione di Gd nell’osso è stata studiata alla rinfusa e in molti casi sono state impiegate tecniche basate su ICP per l’analisi16, 17,36,37. La ricerca intrapresa dalla spettroscopia di emissione atomica al plasma induttivamente accoppiata (ICP-AES) e ICP-MS ha confrontato GBCA lineare (Omniscan) con macrociclici (ProHanse) e ha rivelato livelli più elevati di ritenzione nell’osso in caso di agente di contrasto lineare36,37. Un’indagine che ha impiegato SEM-EDS per l’analisi ha riferito che nessun Gd è stato rilevato nell’osso. Ciò potrebbe essere dovuto ai limiti di rilevazione del metodo scelto o alla preparazione del campione precedente, in quanto il campione era stato decalcificato14. Mentre i limiti di rilevamento di EDS sono in genere intorno a 0.5 wt%, la spettrometria SR-XRF (come impiegata nel presente studio) presenta una sensibilità molto più elevata fino al sub-ppm24, rendendo questo metodo più adatto per l’analisi locale di oligoelementi come Gd. In effetti, le concentrazioni di Gd previste nell’osso dopo l’esposizione a GBCA sono all’interno di pochi ppm, il che è supportato dalle misurazioni di massa (fino a 1,77 µg Gd/g bone37) e dagli esperimenti in vivo (media 1,19 µg Gd/g bone19).
Poiché la concentrazione di gadolinio nelle strutture rilevate è di notevole interesse, abbiamo tentato la quantificazione del contenuto locale di Gd – e ottenuto i valori massimi nell’intervallo di 70-270 µg / g (concentrazione massima rilevata localmente, indicativa, da non confondere con i valori di massa sopra menzionati!)- la procedura dettagliata è descritta in materiale supplementare. Ciò si correla bene con i risultati ottenuti in un esperimento di imaging elementare comparabile utilizzando la biopsia cutanea, in cui le concentrazioni di punti caldi nelle mappe Gd superano 100 µg/g38.
Correlando le mappe elementali ottenute a immagini di sincrotrone ANKA e qBEI, siamo stati in grado di assegnare le strutture istologiche, che sembrano essere inclini all’accumulo di Gd, vale a dire (i) linee di cemento e (ii) pareti dei pori vascolari (interfaccia ai canali di Haversian / Volkmann). In teoria, la deposizione all’interno delle pareti dei canali è dovuta alla vicinanza diretta ai vasi sanguigni che caratterizzano la principale via di consegna di Gd dopo l’esposizione. Le linee di cemento segnano i confini dell’osteon, sono ricche di minerali e carenti di collagene (rispetto alla matrice mineralizzata dell’osteon) e contengono anche proteine non collagenose, come osteopontina, glicosaminoglicani, osteocalcina e sialoproteina ossea39. Le linee cementizie sono disposte nella fase di inversione della formazione dell’osteon (cioè prima della formazione delle nuove lamelle sequenziali)40. Supponendo che l’esposizione transitoria Gd si è verificato in questa fase di formazione osteon, è plausibile, che Gd può essere incluso nella composizione della linea di cemento e lamelle adiacenti.
Correlazione con altri elementi, possibili meccanismi di ritenzione
La correlazione di Gd con altri elementi può far luce sull’ambiente chimico di Gd all’interno degli accumuli e sul meccanismo di ritenzione. I dati disponibili sulle deposizioni di Gd in pelle suggeriscono una colocalizzazione con elementi come Ca, P e Zn. Abraham et al. osservato Gd in associazione con Ca da SIMS10. Birka et al. usato LA-ICP-MS e ha concluso, che corrispondenti distribuzioni Gd e P suggeriscono la presenza di depositi insolubili di GdPO4 nella sezione del tessuto; e la correlazione Gd e Ca potrebbe suggerire che Gd causa deposizioni contenenti calcio, che innescano la calcificazione11. George et al. ha studiato l’accumulo di Gd nella pelle colpita da NSF usando SR-XRF e ha trovato una chiara correlazione tra le distribuzioni Gd, Ca e P e l’uso della spettroscopia a struttura fine ad assorbimento esteso (EXAFS) ha ulteriormente permesso di assumere la presenza di Gd sotto forma di strutture simili a gdpo413. Una distribuzione disomogenea di Zn è stata trovata anche in tutti i depositi di Gd e Ca, anche se si è concluso che Zn non mostra una semplice correlazione con tali elementi nella pelle. Allo stesso tempo, High et al. anche con l’uso di SR-XRF ha osservato la colocalizzazione di Gd, Ca e Zn nel tessuto cutaneo e ha ipotizzato che Ca e Zn facilitino lo spostamento di Gd dall’agente chelante12. Risultati interessanti sono stati ottenuti da Clases et al., che ha studiato non solo la pelle, ma anche le deposizioni cerebrali, usando LA-ICP-MS. Nella distribuzione elementare della pelle di Gd, P, Ca e Zn correlata in posizione e forma, indicando l’abbondanza di specie di fosfato insolubili, mentre nelle correlazioni cerebrali e nella co-localizzazione di Gd con P, Ca, Zn e Fe è stata osservata38.
Tuttavia, nonostante tutte le ricerche in corso, il meccanismo di incorporazione del Gd nell’osso rimane indeterminato e la forma, in cui è depositato, non è nota. L’indagine sulla distribuzione spaziale della Gd all’interno dell’osso può essere strumentale per comprenderlo, e tali studi sono richiesti41. Sebbene il meccanismo di deposizione cutanea possa differire dall’accumulo nell’osso, abbiamo anche trovato Gd nelle regioni calcificate. Darrah et al. suggerito, che Gd3 ionico + liberato dai Gd-chelati successivamente è incorporato nella fase minerale gassosa dell’idrossiapatite del calcio di bone17. Tale processo, la cosiddetta “transmetallazione”, in cui la molecola di GBCA presumibilmente subisce in ambiente in vivo, si riferisce alla competizione tra cationi endogeni (Fe3+, Zn2+, Mg2+, Ca2+, ecc.) e Gd3+, nonché tra anioni endogeni (carbonato, idrossido, fosfato, ecc.) e il ligando. La Ca-transmetallazione è supportata dalla somiglianza Gd con Ca, i raggi ionici degli ioni sono 107,8 pm per Gd e 114 pm per il calcio. In questo contesto, vorremmo menzionare il nostro precedente studio sull’incorporazione di Sr nell’osso, poiché Sr è anche chimicamente simile a Ca. Nei pazienti che hanno ricevuto Sr ranelato per il trattamento dell’osteoporosi, Sr è stato trovato prevalentemente nella matrice ossea di nuova formazione (formata nel periodo di aumento dei livelli sierici di Sr) ed è stato incorporato nei cristalli di idrossiapatite che cambiano/aumentano la costante del reticolo cristallino42,43. Pertanto, potremmo ipotizzare, che la conservazione di Gd sia della stessa natura, che può essere ulteriormente valutata mediante analisi di speciazione.
L’altro possibile concorrente di transmetallazione è lo Zn, che è stato già suggerito da alcune delle misurazioni ex vivo delle deposizioni cutanee discusse sopra. Nel 2010, S. Greenberg ha pubblicato un case report su un paziente con avvelenamento cronico da Zn, indicando una possibile ritenzione di Gd dovuta alla transmetallazione Gd-zn44. Con le nostre misurazioni eseguite a Diamond Light Source e sincrotroni ESRF con fasci submicrometrici ci siamo concentrati sulle strutture Gd all’interno dell’osso mineralizzato. Questi esperimenti di imaging hanno rivelato una sovrapposizione locale di Gd e Zn. Sebbene i loro schemi di distribuzione non siano gli stessi, Gd sembra essere presente solo nelle aree ad alto contenuto di Zn. Le precedenti indagini del nostro gruppo hanno dimostrato un alto contenuto di Zn, Pb e Sr nelle linee di cemento22. I risultati attuali che mostrano le interdipendenze tra Gd e Zn potrebbero supportare la transmetallazione Gd-Zn come meccanismo di ritenzione di Gd.
Significato e possibile tossicità
Il gadolinio appartiene al gruppo degli elementi delle terre rare, normalmente non si trova negli organismi viventi ed è altamente tossico nella sua forma ionica libera Gd3+ 3. Il tessuto osseo è metabolicamente attivo e subisce continuamente un rimodellamento. Pertanto, è probabile che si verifichi un lento rilascio endogeno di Gd nel flusso sanguigno e il rischio è ancora più elevato nei soggetti con aumentato riassorbimento osseo (gravidanza, allattamento, durante la menopausa; nei pazienti osteoporotici)17,45. L’aumento dei problemi di sicurezza relativi all’uso di GBCA ha innescato la ricerca sugli animali, studiando la ritenzione di Gd da parte di vari tessuti, sotto somministrazione singola o ripetuta di GBCA in animali sani, nonché in modelli di malattia indotta. Jost et al. rispetto lineare e macrociclico GBCA per quanto riguarda la deposizione cerebrale nei ratti dopo 2 settimane di somministrazione ripetuta utilizzando LA-ICP-MS46. Sito precedentemente sconosciuto di accumulo di Gd è stato identificato da Delfino et al., che ha osservato la deposizione di Gd nei tessuti parodontali nel modello murino con malattia renale indotta, usando SR-XRF e LA-ICP-MS47. Risultati interessanti che mostrano l’accumulo differenziale di Gd da diversi tessuti ossei-corticale, trabecolare e midollo osseo in ratti giovani e adulti da ICP-MS sono stati pubblicati da Fretellier et al.48. Un’interessante linea di ricerca – l’uso di GBCA in gravidanza e il potenziale effetto di Gd sul feto, sono stati studiati da Prola-Netto et al. nei macachi rhesus, e sebbene solo livelli estremamente bassi di Gd siano stati trovati nei tessuti giovanili dopo l’esposizione in utero, il femore è stato identificato come un sito di ritenzione costante di Gd in tutti gli animali49. Fino ad ora, tuttavia, gli studi che consentono di chiarire i meccanismi di incorporazione di Gd nell’osso, così come il suo ulteriore destino, non sono stati intrapresi, quindi sono richiesti modelli animali e studi che coinvolgono biopsie umane50.
La conoscenza della deposizione di Gd da GBCA nell’osso è di importanza, soprattutto alla luce delle prove recentemente acquisite del suo comportamento di accumulo nel tessuto cerebrale e dei possibili rischi associati alla tossicità di Gd libero. Per quanto ne sappiamo, queste misurazioni sono il primo tentativo di imaging degli accumuli di Gd nel tessuto osseo, che è di eccezionale valore per comprendere i meccanismi di ritenzione di Gd e, inoltre, per le previsioni sulla sicurezza dei GBCA.
Outlook
Riassumendo le domande chiave per l’ulteriore ricerca suggeriamo di concentrarsi su: (i) l’analisi sistematica di biopsie di pazienti con storia nota di GBCA assunzione in confronto con controlli senza che il clinico Gd esposizione, (ii) studi su animali a confronto Gd integrata e il controllo degli animali per distinguere l’accumulo di modelli di continuo, come pure per breve tempo di esposizione, eventi, (iii) la quantificazione dei Gd interno dell’osso che può essere raggiunto utilizzando la matrice di corrispondenza standard (altri elementare metodi di imaging, come LA-ICP-MS e SIM potrebbe essere applicato); (iv) la speciazione del depositati Gd deve essere effettuata, ad esempio, da XANES e EXAFS per acquisire conoscenze sulla forma chimica specifica, che è essenziale per prevedere il possibile pericolo per la salute (tossicità).