1. Pomen kovin za človeka

Kovine so del našega okolja in življenja. Esencialne kovine omogogočajo normalno funkcioniranje telesa (Fe-hemoglobin, Cu-energija, Zn-encimi). Pomanjkanje teh kovin povzroči simptome pomanjkanja, prevelike doze pa zastrupitve. Poleg esencialnih pa poznamo tudi toksične kovine (približno 20). Večina teh nima nobene funkcije za telo in že minimalne koncentracije pripeljejo do zastrupitve. Te se kažejo kot nevrotoksični znaki podobni parkisonizmu (Mg), mnoge ledvične bolezni (Cd) in alergične kožne reakcije (Cr, Ni, Co). Toksične kovine tekmujejo z esencialnimi za ista vezavna mesta na encimu in tako lahko povzročajo simptome pomanjkanja.
Toksične kovine se v naravi pojavljajo zaradi naravne erozije mineralov, ki vsebujejo kovine in zaradi industrijske dejavnosti (rudarstvo, livarstvo, zažiganja). Tako pridejo delci kovin v zrak, vodo in zemljo ter naprej v rastline in živali, kjer lahko ostanejo dolga leta preden se izločijo.
Poznamo tri glavne vire izpostavitve: zrak (glavni vir poklicne izpostavitve), hrana in pitna voda. Hrana in pijača lahko postaneta kontaminirani že pred proizvodnjo ali pa pri predelavi (posoda za kuhanje vsebuje toksične metale). Alkoholne pijače, zlasti vina, vsebujejo visoke koncentracije svinca, kadilci pa so bolj izpostavljeni kadmiju.

V zraku analiziramo hlape in delce čim bližje dihalnega območja posameznika, pri čemer moramo upoštevati njegov dihalni vzorec (globoko/plitvo; skozi nos/skozi usta). Nekatere inhalirane delce tudi pogoltnemo in se tako absorbirajo v gastrointestinalnem traktu.
Pri hrani in pijači največkrat uporabimo tehniko duplicirane prehrane (dvojnik se analizira), poročilo prehranjevanja, včasih pa tudi analiziramo feces.
Biološka razpoložljivost je količina določene kovine, ki dejansko lahko pride v telo in je odvisna od topnosti in-vivo. Kovine pridejo v telo skozi epitelij kože, respiratornega in gastrointestinalnega trakta. Lokalna doza lahko ostane na mestu vnosa in povzroči lokalni učinek, ali pa se po krvi transportira do različnih tkiv in povzroča sistemske učinke.
Kritičen učinek je prvi neželen učinek, ki se pojavi po izpostavitvi določeni kovini. Pojavi se v specifičnemu organu ali tkivu, ki ga zato imenujemo kritičen organ, koncentracijo pri kateri je ta učinek nastal pa kritično koncentracijo. Kritičen organ ni nujno tudi organ z najvišjo koncentracijo kovine v telesu. Preprečitev kritičnega učinka bo najverjetneje preprečilo tudi nadaljnjo bolezen. Za statistično obravnavo vpeljemo izraz kritična koncentracija populacije (KKP), ki pove koliko posameznikov bo razvilo kritičen učinek pri določeni stopnji izpostavitve.


2. Odnos med izpostavljenostjo, dozo, učinkom in odzivom

Stopnja izpostavljenosti, stopnja vnosa in farmakokinetika so trije parametri, ki določajo odnos izpostavljenost-doza. Izpostavljenost predstavlja vso koncentracijo kovine, ki je v danem trenutku na voljo za vnos v organizem. Koncentracijo kovine ob samem mestu vnosa imenujemo lokalna doza, po absorbciji njenega dela v telo pa sistemska doza, ki pri določeni koncentraciji povzroči kritičen učinek, kar prikažemo v odnosu doza-učinek. To velja zlasti pri kontaminaciji s hrano, pri kontaminaciji z vdihavanjem pa uporabimo kar odnos izpostavitev-učinek. Odnos doza-odziv nam prikaže odstotek prizadete populacije pri določeni dozi.
Poznavanje vseh teh odnosov je bistveno pri ocenjevanju tveganja, vendar je empiričnih podatkov pri nizkih koncentracijah zelo malo, zato si pomagamo z ekstrapolacijo iz višjih koncentracij ali pa s poskusi na živalih. Poleg tega ni dovolj le informacija o kritičnem organu in koncentraciji, ampak je bistveno poznavanje metabolizma kovin, da lahko predvidimo njeno akumulacijo v telesu. Razpolovni čas, stopnja absorbcije, stopnja biotransformacije, distribucija in sekrecija so pomembni parametri za oceno koncentracije v določenem tkivu in jih skupaj izrazimo kot metabolni model za kovino. Razpolovni čas je specifičen za kovine in tudi za različna tkiva (za isto kovino) .


3. Pomen biomonitoringa

Izraz biomonitoring se uporablja, ko je koncentracija kovin opazovana v bioloških medijih (kri, urin…) in ko opazujemo kovine v človekovem okolju.
Omogoča nam:

• ugotovitev stopnje izpostavljenosti
• oceno tveganja
• inter in intra individualne razlike sprejete doze
• oceno celotne izpostavljenosti določenega okolja
• epidemiološke študije
• analizo posameznika in populacije

Pri izvajanju moramo poznati čimbolj popoln metabolni model kovine, čeprav se včasih oceno tveganja lahko izpelje že iz poznavanja odnosa med izpostavljenostjo in kritičnim učinkom. Pogosto pa je za tveganje odločilen faktor lokalnega učinka (epit.celice pri pljučnem raku), zato ocena tveganja ne more temeljiti samo na biomonitoringu. Pri spremljanju izpostavljenosti moramo upoštevati še koncentracijo kovine v telesu pred izpostavitvijo. Tako imenovano ozadje za določeno kovino je značilno za vsako okolje (državo) posebej, zato moramo mejne vrednosti temu primerno prirediti.


Ostali tipi monitoringa :

• Emisijski monitoring: opazovanje in identifikacija zunanjih virov kovin
• Monitoring okolja (ambienta): ugotavljanje trenutnih koncentracij kovin v okolju (zrak, voda, hrana, prah, zemlja) in spremljanje le-teh skozi določeno časovno obdobje. S tem si tudi lahko pomagamo pri identifikaciji izvora.
Glavni namen je preverjanje ali so koncentracije v (uradno določenih) mejah normale.
• Monitoring človekove izpostavljenosti: temelji na podatkih monitoringa okolja in modelih inhaliranja zraka, zaužitja hrane itd
• Monitoring zdravja: zgodnji biološki učinki kovin v telesnih tekočinah in tkivih. Gre samo za ugotavljanje brez preprečevanja




4. Analiza bioloških medijev


Za ugotavljanje koncentracij kovin v telesu se lahko uporabljajo različni vzorci tkiv. Za rutinsko laboratorijsko analizo se največ uporabljata vzorca iz krvi in urina, ki sta enostavna za odvzem in obenem dovolj informativna. V določenih okoliščinah se uporabljajo še lasje, feces, kosti, zobje in ostala tkiva. Koncentracije kovin v samih notranjih organih se redko določa, največkrat pri operacijah, biopsijah in obdukcijah.
Izmerjene koncentracije se primerja z normalnimi vrednostmi, ki so izraženi v obliki koncentracijskih razponov za določeno kovino.
Koncentracije nekaterih kovin (tistih s kratkim razpolovnim biološkim časom) v bioloških medijih (kri,urin) variirajo tekom dneva oz. tedna, zato je potrebna standardizacija odvzema in merjenja, zlasti pri poklicni izpostavljenosti.
Pri zbiranju vzorcev se moramo ogniti kontaminaciji in izgubam (izhlapevanje). Pri shranjevanju se pojavi problem izsuševanja in vpliv sten shranjevalnih posod, ki lahko privede do napačnih rezultatov.

Vzorci

Urin je lahko zbrati v večjih količinah, predstavlja končno pot izločanja mnogih kovin, metoda zbiranja je enostavna in neinvazivna, zato se jo pogosto uporablja pri biomonitoringu kovin. Koncentracija kovine v urinu je odvisna od stopnje dilucije, funkcije ledvic, obremenjenosti telesa s kovino, metaboličnih poti in trenutni izpostavljenosti kovini. Zbiramo 12-urni ali 24-urni urin, iz katerega lahko potem določimo izločanje kovine (g/h) ali pa samo koncentracijo kovine v urinu. Pri tem upoštevamo stopnjo dilucije oz. koncentracije urina, zato koncentacijo izrazimo glede na izločeni kreatinin ali pa glede na specifično težo urina.
Pri zbiranju in shranjevanju urinskih vzorcev je potrebno preprečti možnost kontaminacije in razraščanja že prisotnih bakterij.

Kri predstavlja transportni medij za kovine, katerih koncentracija je odvisna od izpostavljenosti in obremenitve telesa s kovino. V krvi so kovine vezane na eritrocite (večinoma neesencialne in toksične kovine) in na plazemske beljakovine (transferin, ceruloplazmin, 2-makroglobulin) ter proste v plazmi (aluminij). Pri merjenju koncentracij se zaradi tega upošteva še hematokrit.
Pri odvzemu in shranjevanju je potrebno preprečti hemolizo, kontaminacijo in koagulacijo (dodatek heparina).

Med rastjo lasu v anageni fazi se kovine iz krvi in žlez vgradijo vanj. Poleg tega pa se določeni delci v las ujamejo tudi od zunaj, kar je ugodno pri merjenju zunanje izpostavitve, pri notranji kontaminaciji (GIT) pa to moti analizo.
Dobra lastnost te analize je možnost spremljanja izpostavitve skozi daljše časovno obdobje (nosečnost). To so t.i. retrospektivne študije.

Nekatere kovine (aluminij, svinec) se nabirajo v kosteh. Koncentracijo izražamo v g mokre teže, suhe teže, teže pepela in v odnosu s koncentracijo Ca.
Ker se zobni enamel tvori že v otroštvu, nam koncentracije kovin v njem omogočajo retrospektivne študije.
Vzorci kosti in zob so težje dosegljivi. Za merjenje obremenitve telesa s svincem uporabimo kostno biopsijo, za meritev izpostavitve svincu pa neinvazivno rentgensko fluorescenco.

Če se kovina v gastrointestinalnem traktu slabo absorbira, potem njena količina v izločenem fecesu v določeni meri korelira z vnosom s hrano. Take kovine so aluminij, svinec in kadmij. Zaradi variabilnih defekacijskih navad je potrebno zbirati feces več dni. V primeru da so koncentracije večje od pričakovanih, lahko poleg kontaminacije s hrano sumimo na kontaminacijo z vdihavanjem.

Ostale vzorce se uporablja zgolj v raziskovalne namene. To so slina, znoj, materino mleko, placenta…


Analitična točnost

Nekateri pojmi:
• Točnost (pravilnost): koliko se dobljeni rezultati razlikujejo od resničnih
• Preciznost (ponovljivost): razpon distribucije rezultatov okoli povprečja za isti vzorec; ena izmed meril je standardna deviacija
• Meja detekcije-najmanjša merljiva koncentracija kovine

Tehnološki napredek je omogočil detekcijo že nanogramskih koncentracij kovin, kar je privedlo tudi do zniževanja dopustnih vrednosti. Vendar je z zniževanjem merljivih koncentracij prišlo tudi do večje možnosti napak. Dobimo nepravilne podatke pri zelo natančni analitični metodi. Cilj biomonitoringa je podajanje pravilnih podatkov, kar je z napredovano kontrolo kvalitete možno šele v zadnjih letih.
Kontrola kvalitete zajema standardizirane postopke in strog nadzor pred, med in po vzemu vzorca do same analize. Poznamo zunanjo kontrolo, kjer nadzor opravlja zunanja organizacija in notranjo kontrolo, kjer delo nadzirajo v laboratoriju sami, največkrat z referenčnimi vzorci, če pa to ni možno pa isti vzorec pomeri več laboratorijev. Pojem zagotavljanja kvalitete zajema standardizacijo postopkov odvzema, shranjevanja, analize in interpretacije podatkov.
Kri se tako največkrat odvzema iz komolčne vene z nerjavečo iglo in vakumsko epruveto, urin pa se zbira v plastičnih posodah, ki so sprane s kislino.

Analitične metode

Večino analiz se opravi na atomskem absorberju, največkrat na grafitni površini (GFAAS). Poleg tega se uporabljata še nevtronska aktivacija in rentgenska fluorescenca.









5. Primer biomonitoringa: kadmij (Cd)

Dnevni vnos Cd je 10-25 g. Določeni kazalci kažejo, da se je prisotnost Cd v hrani povečala vzporedno s povečanim onasneževanjem okolja. Rizične skupine so kadilci in delavci v industriji.

Metabolizem

Absorbcija iz GIT je 5, alveole doseže 50 vdihanega Cd. V jetrih se veže na metalotionein, ki se v manjših količinah izloči v kri. V ledvicah se prosto filtrira, reasorbira in ostane v tubulnih celicah. Tako so koncentracije Cd v ledvicah 10000x višje kot v krvi.

Učinki na zdravje

Ko se doseže kritična koncentracija, pride najprej do tubulne proteinurije. Sledi upad GFR, v najhujših primerih nastopi uremija. Pri inhalaciji Cd lahko pride do KOPB, nekatere študije kažejo tudi na povezavo s pljučnim rakom.

Biomonitoring

Cd je v krvi vezan na eritrocite. Po izpostavitvi koncentracija v krvi zelo hitro naraste in doseže maksimum po dveh mesecih. Prav tako serumska koncentracija po končani izpostavitvi zelo hitro pade (t½ = 2-3 mesece), vendar nikoli na prvotno koncentracijo. Serumska koncentracija Cd odraža trenutno izpostavitev. Pri ljudeh z dolgotrajno (20 let) zvišano koncentracijo (>10g/L) se poveča verjetnost poškodbe ledvičnih tubulov.
Koncentracija v urinu odraža trenutno obremenjenost telesa s Cd (akumulacija). Pri dolgotrajni izpostavljenosti koncentracija narašča počasi in naznanja povečano tveganje za okvaro ledvice. Pri hudi okvari je motena reabsorbcija Cd, zato se ga več izloči iz ledvic, vendar to ne omili okvare, ker je ireverzibilna.
Rezultate biomonitoringa Cd lahko interpretiramo le če poznamo trajanje in inteziteto izpostavitve.

Vrednosti

kri (g/L) urin (g/g kreatinina)
normalno 0.2-0.8 0.1-0.7
kadilci do 4.5 do 5