Źródła ekspozycji
w niniejszym artykule wykazaliśmy rozmieszczenie Gd w tkance kostnej korowej i jej korelację z innymi wykrytymi elementami. Z historii pacjenta wiadomo, że MRI przeprowadzono 8 miesięcy przed biopsją, ale nie wiadomo, czy użyto środka kontrastowego. Dlatego nie możemy twierdzić, że sygnał Gd pochodzi z retencji z tego pojedynczego zdarzenia ekspozycji. Należy zauważyć, że możliwe są inne niż CE-MRI źródła narażenia na Gd29, 30.
wydobywanie i przetwarzanie pierwiastków ziem rzadkich (REE) można wymienić w tym względzie, chociaż doniesienia na temat narażenia zawodowego związanego z negatywnymi skutkami zdrowotnymi innymi niż pneumokonioza są sporadyczne. Li i in. stwierdzono wyższe poziomy La, nd, Ce i Gd w moczu u pracowników narażonych na kontakt z tlenkami Ce i La najdrobniejsze cząstki i nanocząstki w porównaniu do nieeksploatowanych31, jednak następny artykuł z tej grupy (przypuszczalnie na tych samych przedmiotach), dotyczący poziomu Rees w moczu skorygowanego o kreatyninę, nie wykazał znaczącej różnicy w poziomach gadolinu32. Nie udało nam się znaleźć doniesień o złożeniu gadolinu u osób narażonych zawodowo.
w ostatnich latach antropogeniczne zanieczyszczenie Gd, zwłaszcza w systemach wodnych, stało się przedmiotem szeroko zakrojonych badań33,34,35. Wątpimy jednak, że niskie stężenia Gd w wodzie z kranu mogą prowadzić do stwierdzonej akumulacji w tkance kostnej; a biorąc pod uwagę prawdopodobną historię zawodową pacjenta, prawdopodobieństwo domniemanego narażenia zawodowego na podwyższone stężenia gadolinu jest niewielkie.
nasza hipoteza jest taka, że obserwacje dokonane w tym badaniu mogą być ogólnie charakterystyczne dla wychwytu Gd przez kość, niezależnie od źródła. W celu systematycznego określenia nagromadzenia/zatrzymania Gd w odniesieniu do źródła wymagane są eksperymenty obrazowe na większej liczbie biopsji od pacjentów z ekspozycją na Gd w wywiadzie i planuje się je przeprowadzić po tym pionierskim badaniu.
Analiza ex vivo, lokalizacja w obrębie kości
do tej pory retencja Gd w kości była badana masowo, a w wielu przypadkach do analizy zastosowano techniki oparte na ICP16,17,36,37. Badania przeprowadzone przez atomową spektroskopię emisyjną z plazmą indukcyjnie sprzężoną (ICP-AES) i ICP-MS porównały liniowy GBCA (Omniscan) z makrocyklicznym (ProHanse) i wykazały wyższy poziom retencji w kościach w przypadku liniowego środka kontrastowego36,37. Jedno z badań wykorzystujących sem-EDS do analizy wykazało, że w kości nie wykryto Gd. Może to wynikać z granic wykrywalności wybranej metody lub z wcześniejszego przygotowania próbki, ponieważ próbka została odwapniona14. Podczas gdy granice wykrywalności EDS wynoszą zwykle około 0.5% wag., spektrometria SR-XRF (zastosowana w niniejszym badaniu) charakteryzuje się znacznie wyższą czułością w stosunku do sub-ppm24, dzięki czemu ta metoda jest bardziej odpowiednia do lokalnej analizy pierwiastków śladowych, takich jak Gd. Rzeczywiście, przewidywane stężenia Gd w kościach po ekspozycji na GBCA mieszczą się w kilku ppm, co potwierdzają pomiary masowe (do 1,77 µg Gd/G kości37) i eksperymenty in vivo (średnio 1,19 µg GD/G kości19).
ponieważ stężenie gadolinu w wykrytych strukturach jest bardzo interesujące, podjęliśmy próbę kwantyfikacji lokalnej zawartości Gd-i uzyskaliśmy maksymalne wartości w zakresie 70-270 µg / g (lokalnie wykryte maksymalne stężenie, orientacyjne, nie mylić z wartościami masowymi wymienionymi powyżej!)- szczegółową procedurę opisano w materiale uzupełniającym. Koreluje to dobrze z wynikami uzyskanymi w porównywalnym eksperymencie obrazowania elementarnego przy użyciu biopsji skóry, w którym stężenia hot spot w Mapach Gd przekraczają 100 µg/G38.
korelując mapy pierwiastków uzyskane w synchrotronie ANKA i obrazach qBEI, udało nam się przypisać struktury histologiczne, które wydają się być podatne na akumulację Gd, a mianowicie (i) linie cementowe i (ii) Ściany porów naczyniowych (interfejs do kanałów Haversana/Volkmanna). Możliwe, osadzanie się w ścianach kanałów jest spowodowane bezpośrednim sąsiedztwie naczyń krwionośnych, które posiadają główną drogę dostarczania Gd po ekspozycji. Linie cementowe wyznaczają granice osteonu, są bogate w minerały i pozbawione kolagenu (w porównaniu do zmineralizowanej matrycy osteonu), a także zawierają białka nie-kolagenowe, takie jak osteopontina, glikozaminoglikany, osteokalcyna i sialoproteina39. Linie cementowe układane są w fazie odwrotnej formacji osteon (tj. przed powstaniem nowych lameli sekwencyjnych)40. Przypuśćmy, że przejściowe narażenie na Gd nastąpiło w tej fazie powstawania osteonów, jest prawdopodobne, że Gd może być włączone do składu linii cementowej i przyległych lameli.
korelacja z innymi pierwiastkami, możliwe mechanizmy retencji
korelacja Gd z innymi pierwiastkami może rzucić światło na środowisko chemiczne Gd w akumulacjach i na mechanizm retencji. Dostępne dane dotyczące odkładania się Gd w skórze sugerują kolokalizację z takimi elementami jak Ca, P i Zn. Abraham et al. zaobserwowane Gd we współpracy z Ca przez SIMS10. Birka i in. użył LA-ICP-MS i stwierdził, że dopasowanie rozkładów Gd I P sugeruje obecność nierozpuszczalnych złogów GdPO4 w sekcji tkankowej; korelacja Gd i Ca może sugerować, że Gd powoduje powstawanie osadów zawierających wapń, które wywołują zwapnienie11. George et al. zbadano nagromadzenie Gd w skórze dotkniętej NSF przy użyciu SR-XRF i stwierdzono wyraźną korelację między rozkładami GD, Ca I P, A Zastosowanie spektroskopii o rozszerzonej absorpcji drobnej struktury (EXAFS) pozwoliło dodatkowo założyć obecność GD w postaci struktur podobnych do Gdpo413. Niejednorodny rozkład Zn stwierdzono również w osadach Gd i Ca, chociaż stwierdzono, że Zn nie wykazuje prostej korelacji z tymi pierwiastkami w skórze. W tym samym czasie, High et al. również przy użyciu SR-XRF zaobserwowano kolokalizację Gd, Ca i Zn w tkance skóry i postawiono hipotezę, że Ca i Zn ułatwiają wypieranie Gd z czynnika chelatującego 12. Ciekawe wyniki uzyskali Clases et al., who badała nie tylko skórę, ale także depozyty mózgu, wykorzystując LA-ICP-MS.w dystrybucji elementarnej skóry GD, P, Ca i Zn skorelowano w lokalizacji i kształcie, wskazując na obfitość nierozpuszczalnych gatunków fosforanów, podczas gdy w mózgu zaobserwowano korelacje i współlokalizację Gd Z P, Ca, Zn, a także Fe38.
jednak, pomimo wszystkich trwających badań, mechanizm wbudowywania Gd w kość pozostaje nieokreślony, a forma, w jakiej jest osadzona, nie jest znana. Badanie rozkładu przestrzennego Gd w obrębie kości może mieć zasadnicze znaczenie w zrozumieniu tego faktu i takie badania są wzywane do41. Chociaż mechanizm odkładania się skóry może różnić się od akumulacji w kościach, znaleźliśmy również Gd w zwapnionych regionach. Darrah et al. sugeruje się, że jonowy Gd3+ uwalniany z chelatów Gd jest następnie włączany do gazowanej fazy mineralnej hydroksyapatytu wapnia kości17. Taki proces, tzw. „transmetalacja”, w której cząsteczka GBCA podobno ulega w środowisku in vivo, odnosi się do konkurencji między endogennymi kationami (Fe3+, Zn2+, Mg2+, Ca2+ itd.) i Gd3+, a także pomiędzy anionami endogennymi (węglan, wodorotlenek, fosforan itp.) i ligand. Transmetalacja Ca jest wspierana przez podobieństwo Gd do Ca, promienie jonowe jonów wynoszą 107,8 pm dla GD i 114 pm dla wapnia. W tym kontekście chcielibyśmy wspomnieć o naszych wcześniejszych badaniach nad włączaniem Sr do kości, ponieważ SR jest również chemicznie podobny do Ca. U pacjentów, którzy otrzymywali ranelinian Sr w leczeniu osteoporozy, Sr stwierdzono głównie w nowo powstałej macierzy kostnej (powstałej w okresie zwiększonego stężenia Sr w surowicy) i włączono ją do kryształów hydroksyapatytu zmieniając / zwiększając stałą siatkę krystaliczną42, 43. Dlatego możemy postawić hipotezę, że retencja Gd ma ten sam charakter, co można dodatkowo ocenić za pomocą analizy specjacji.
innym potencjalnym konkurentem do transmetalizacji jest Zn, co zostało już zasugerowane przez niektóre z pomiarów ex vivo odkładania się skóry omówionych powyżej. W 2010 Roku S. Greenberg opublikował opis przypadku pacjenta z przewlekłym zatruciem Zn, wskazując na możliwe zatrzymanie Gd z powodu transmetalacji Gd-Zn44. Dzięki naszym pomiarom wykonanym na diamentowym źródle światła i synchrotronach ESRF z wiązkami submikrometrowymi skupiliśmy się na strukturach Gd w zmineralizowanej kości. Te eksperymenty obrazowania ujawniły lokalne nakładanie się Gd i Zn. Chociaż ich schematy dystrybucji nie są takie same, Gd wydaje się być obecny tylko w obszarach o wysokiej zawartości Zn. Wcześniejsze badania naszej grupy wykazały wysoką zawartość Zn, Pb i Sr w liniach cementowych22. Obecne wyniki pokazujące współzależności między Gd i Zn mogą wspierać transmetalację Gd – Zn jako mechanizm retencji Gd.
znaczenie i możliwa toksyczność
gadolin należy do grupy pierwiastków ziem rzadkich, zwykle nie występuje w organizmach żywych i jest wysoce toksyczny w wolnym Jonie Gd3+ form3. Tkanka kostna jest metabolicznie aktywna i stale ulega przebudowie. W związku z tym możliwe jest powolne uwalnianie endogennej Gd do krwiobiegu, a ryzyko jest jeszcze większe u osób ze zwiększoną resorpcją kości (ciąża, laktacja, w okresie menopauzy; u pacjentów z osteoporozą)17,45. Zwiększenie obaw dotyczących bezpieczeństwa dotyczących stosowania GBCA wywołało badania na zwierzętach, badające retencję Gd przez różne tkanki, przy pojedynczym lub wielokrotnym podawaniu GBCA u zdrowych zwierząt, a także w indukowanych modelach chorób. Jost i in. porównano liniowe i makrocykliczne GBCA w odniesieniu do odkładania się mózgu u szczurów po 2 tygodniach wielokrotnego podawania przy użyciu LA-ICP-MS46. Wcześniej nieznane miejsce akumulacji Gd zostało zidentyfikowane przez Delfino et al., who zaobserwowała odkładanie się Gd w tkankach przyzębia w modelu mysim z indukowaną chorobą nerek, stosując SR-XRF i LA-ICP-MS47. Interesujące wyniki pokazujące różnicową akumulację Gd przez różne tkanki kostne-kość korową, beleczkowatą i szpik kostny u młodych i dorosłych szczurów przez ICP-MS zostały opublikowane przez Fretellier et al.48. Interesująca linia badań-zastosowanie GBCA w ciąży i potencjalny wpływ Gd na płód, były badane przez Prola-Netto i wsp. u makaków rezusowych i chociaż tylko bardzo niski poziom Gd stwierdzono w tkankach młodocianych po ekspozycji w macicy, kość udowa została zidentyfikowana jako miejsce stałego zatrzymywania Gd u wszystkich zwierząt49. Do tej pory jednak nie prowadzono badań pozwalających na Wyjaśnienie mechanizmów wbudowywania Gd do kości, a także ich dalszych losów, dlatego wymagane są modele zwierzęce i badania z udziałem biopsji ludzkich50.
wiedza na temat odkładania się Gd Z GBCA w kości jest ważna, zwłaszcza w świetle niedawno uzyskanych dowodów na jego zachowanie akumulacyjne w tkance mózgowej i możliwych zagrożeń związanych z toksycznością wolnego Gd. Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą pomiary te są pierwszą próbą zobrazowania nagromadzenia Gd w tkance kostnej, co ma wyjątkową wartość dla zrozumienia mechanizmów zatrzymywania Gd, a ponadto dla prognoz dotyczących bezpieczeństwa GBCAs.
Outlook
Podsumowując kluczowe pytania do dalszych badań sugerujemy skupić się na: (i) systematyczna analiza biopsji pacjentów ze znanym pobraniem GBCA w wywiadzie w porównaniu z grupami kontrolnymi bez klinicznej ekspozycji na Gd, (ii) badania na zwierzętach porównujące GD uzupełnione i kontrolne zwierzęta w celu rozróżnienia wzorców akumulacji dla ciągłych, jak również krótkotrwałych zdarzeń ekspozycji, (iii) oznaczanie ilościowe Gd w obrębie kości, które można osiągnąć przy użyciu wzorców dopasowanych do matrycy (można również zastosować inne metody obrazowania pierwiastkowego, takie jak LA-ICP-MS i SIMS); (iv) specjacja zdeponowanego Gd musi być wykonana, np. przez XANES i EXAFS w celu zdobycia wiedzy na temat konkretnej formy chemicznej, która jest niezbędna do przewidywania możliwego zagrożenia dla zdrowia (toksyczności).