Oxaalzuur. Deel 2.

 

Inleiding

In het eerste deel van onze artikelen over oxaalzuur hebben wij de visie en ervaringen van de Amerikaanse voedseldeskundige Sally K. Norton weergegeven. In dit tweede en laatste deel komen meer de biochemische en fysiologische achtergronden van deze stof, zowel in schimmels, bacteriën, planten en de mens aan de orde. De opname, het transport en het metabolisme in de mens van oxaalzuur en zijn precursors, en de rol die vitamine B6 en B1 maar vooral ook onze darmflora daarin spelen, komen aan de orde. Tevens worden de effecten die oxaalzuur op macrofagen, onze immuniteit en inflammatie kan hebben, toegelicht.

 

Oxaalzuur is een klein, sterk, organisch dicarbonzuur. Oxalaat is de geconjugeerde base of het negatief geladen ion van oxaalzuur, zie afbeeldingen hieronder:

                            

                         Oxaalzuur C₂H₂O₄                                                       Oxalaat C₂O₄²⁻

 

Schimmels (o.a. Candida en Aspergillus), bacteriën, (voedsel-)planten, dieren en de mens kunnen oxaalzuur produceren. Bepaalde micro-organismen kunnen oxaalzuur afbreken tot CO₂, mierenzuur en mogelijk ook waterstofperoxide, of kunnen oxaalzuur gebruiken als koolstof- en energiebron voor hun metabolisme en voortplanting. Mensen en dieren beschikken zelf niet over enzymen waarmee oxaalzuur kan worden afgebroken. Oxaalzuur is een van de belangrijkste organische zuren die worden uitgescheiden door een verscheidenheid aan schimmelsoorten. De productie ervan in schimmels is vaak gerelateerd aan metaalontgifting en pathogenese, waarbij  verzuring van gastheerweefsels, sekwestratie van metaalionen zoals calcium, mangaan, magnesium en ijzer, en mogelijke remming of verstoring van de afweerreacties van de gastheer kunnen optreden. De rol die oxaalzuur bijvoorbeeld speelt in de (patho-)fysiologie en stofwisseling van metalen en mineralen van schimmels, kunt u in deze studie nalezen.

 

Oxaalzuur kan gemakkelijk binden en complexen vormen met mineralen zoals natrium, kalium, calcium, magnesium, ijzer, koper en ammonium (NH₄⁺). Oxalaatverbindingen met natrium, kalium, lithium en ammonium zijn redelijk goed in water oplosbaar en ook het zout van driewaardige ijzer met oxaalzuur kan vormen is redelijk oplosbaar in water. De overige oxalaten, zoals die met magnesium, calcium, tweewaardig ijzer zijn vrijwel allemaal slecht oplosbaar. In de mens kan oxaalzuur zich ook binden aan kwik; kwikoxalaat is zeer slecht oplosbaar en zeer moeilijk te elimineren uit het lichaam.

 

In planten kan met name calciumoxalaat (CaC₂O₄ ) tot vorming van scherpe, naaldvormige kristallen leiden, die in de literatuur soms als raphides worden aangeduid. Bij planten met een celsap van circa pH 2, zoals sommige Oxalis- en Rumex-soorten, bestaat oxalaat als het zure oxalaat (HC₂O₄^-), voornamelijk als zuur kaliumoxalaat. In planten met een celsap van ongeveer pH 6, zoals sommige planten van de ganzenvoetfamilie, bestaat als het oxalaat-ion (C₂O₄^2- ), meestal als oplosbaar natriumoxalaat en de onoplosbare calcium- en magnesiumoxalaten. Calcium- oxalaat (Ca(COO)₂) is onoplosbaar bij een neutrale of alkalische pH, maar kan oplossen in zuur.

 

In planten is oxaalzuur een secundaire metaboliet. De primaire rol van calciumoxalaatkristallen kan variëren afhankelijk van de soort plant, het orgaan en het weefsel waarin ze voorkomen en kan worden samengevat als: verdediging tegen vraatinsecten en herbivoren, weefselondersteuning, calciumregulatie en als een intern reservoir voor calcium, ionenbalans, verwijdering van giftig oxaalzuur en het verzamelen en weerkaatsen van licht. Calciumoxalaat is gewoonlijk aanwezig in een hoeveelheid van ongeveer 1% in planten, maar in sommige structuren zoals de wortelstok van rabarber kan het meer dan 20% van het drooggewicht bedragen. Bij bepaalde planten is zelfs een percentage van 90% van het drooggewicht vastgesteld. Calciumoxalaat kan in alle delen en organen van de plant worden gevormd.

 

Van raphides is bekend dat ze huidirritatie en letsel aan de ogen, mond en bovenste luchtwegen veroorzaken. De non-food plant Dieffenbachia is daarvan een bekend voorbeeld. Ook bijvoorbeeld bij de brandnetel is oxaalzuur mede verantwoordelijk voor de jeuk en aanhoudende pijn. Van de brandharen van Urtica spp. (brandnetels) is bekend dat zij onder meer oxaalzuur, mierenzuur en wijnsteenzuur bevatten; op de top van deze haren zit een weerhaakje dat in de huid haakt en als het afbreekt komen deze stoffen vrij.

 

Inname van voedsel dat hoge concentraties oxalaten bevat, kan corrosie van de mond en het maagdarmkanaal, maagbloeding,  verminderde botgroei, nierstenen, niertoxiciteit, braken, diarree, convulsies, coma, verminderde bloedstolling en hematurie (bloed in de urine) veroorzaken . Andere geassocieerde problemen zijn onder meer een laag plasmacalcium, dat convulsies kan veroorzaken. De meeste dodelijke slachtoffers van oxalaatvergiftiging zijn te wijten aan de verwijdering van calciumionen uit het serum door neerslag. En hoge niveaus van oxalaat kunnen interfereren met het koolhydraatmetabolisme, met name door remming van het enzym barnsteenzuurdehydrogenase. De inname van 4-5 gram oxalaat is de minimale dosis die de dood kan veroorzaken bij een volwassene, maar rapporten hebben aangetoond dat 10-15 gram de gebruikelijke hoeveelheid is die nodig is om dodelijke slachtoffers te veroorzaken.

 

Oxalaat in voeding

Voedingsmiddelen die vooral veel oxalaten bevatten, zijn: spinazie, bieten, chocolade, pinda's, tarwezemelen, thee, cashewnoten, pecannoten, amandelen en bessen. Oxalaten worden niet in significante concentraties in vlees of vis aangetroffen. De dagelijkse inname van oxalaat voor volwassenen is gewoonlijk 80-120 mg/d; het kan variëren van 44-1000 mg/d bij personen die een typisch westers dieet volgen. Een volledige lijst van voedingsmiddelen met een hoog oxalaatgehalte is beschikbaar op http://patienteducation.upmc.com/Pdf/LowOxalateDiet.pdf.

 

Door de aanwezigheid van voedingsvezels, fytaten en oxalaten wordt slechts een deel van de mineralen die in een voedingsmiddel aanwezig zijn, opgenomen in het maagdarmkanaal. Van voedingsmiddelen met een hoog oxalaatgehalte is bekend dat ze een negatief effect hebben op de opname van o.a. calcium en ijzer. Spinazie is een groente met veel oxalaat en veel calcium. In een studie werd de calciumopname uit spinazie vergeleken met calciumopname uit melk, een voedsel met veel calcium; aangetoond werd dat calcium uit spinazie niet gemakkelijk beschikbaar is, vanwege het hoge gehalte aan oxalaten. Volgens sommige onderzoekers is het nadelige effect van oxalaten groter als de oxalaat:calcium-ratio hoger is dan 9:4. De nadelige effecten van oxalaten moeten volgens hen worden beschouwd in termen van de oxalaat:calciumverhouding in een levensmiddel. Deze verhouding varieert sterk en kan in drie groepen worden ingedeeld: 1) planten met een verhouding van oxalaat tot calcium van meer dan twee (bijvoorbeeld spinazie, rabarber, bietenbladeren en bietenwortels, zuring en cacao); 2) planten met een verhouding van ongeveer één (bijvoorbeeld aardappelen, amarant, kruisbessen en aalbessen); en 3) planten met een verhouding van minder dan één (bijvoorbeeld sla, kool, bloemkool, sperziebonen en erwten). Tabel 1 toont het oxalaat- en calciumgehalte, evenals de verhouding van deze twee items, met voorbeelden van voedingsmiddelen die in de drie hoofdgroepen vallen. Voedingsmiddelen met een verhouding van meer dan twee en die geen bruikbare calcium bevatten, hebben een overmaat aan oxalaat dat calcium kan binden aan andere voedingsmiddelen die tegelijkertijd worden gegeten. Rabarber, zuring, biet en spinazie bijvoorbeeld zijn ondanks hun schijnbaar hoge calciumgehalte geen goede bronnen van calcium. De 5,1% beschikbaarheid van calcium uit spinazie is laag. Levensmiddelen met een verhouding van ongeveer één tasten de calciumbenutting van andere producten niet of minder aan en hebben daarom geen of geringere demineraliserende werking. Deze voedingsmiddelen zijn echter geen echt goede bronnen van calcium. Voedingsmiddelen met een verhouding van één verminderen de beschikbaarheid van calcium niet voor zover het andere calciumbronnen betreft. Hoewel peterselie (Petroselinum sativum) een gemiddeld gehalte aan oxalaat bevat (140-200 mg/100 g), verlaagt het hoge calciumgehalte (180-290 mg/100 g) de verhouding oxalaat:calcium tot een laag niveau.

 

Tabel 1. Oxalaat (mg/100 g, vers gewicht (FW)), calcium (mg/100 g FW) en de oxalaat/calcium (mEq) verhouding van sommige veel voorkomende voedingsmiddelen. Deze voedingsmiddelen zijn onderverdeeld in drie hoofdgroepen op basis van hun oxalaat/calciumverhouding. Groep 1, > 2,0; Groep 2, 1,0–2,0; Groep 3, < 1.0. Bron: https://apjcn.nhri.org.tw/server/APJCN/8/1/64.pdf.

 

 

Momenteel wordt aangenomen dat oxalaat dat afkomstig is uit de voeding slechts een kleine bijdrage (< 20%) levert aan de uitscheiding van oxalaat via de urine. Een recent prospectief onderzoek naar steenziekte suggereerde echter dat oxalaat in de voeding een belangrijke risicofactor kan zijn. Deze observatie bracht deskundigen ertoe de bijdrage van oxalaat via de voeding aan de excretie van oxalaat via de urine opnieuw te evalueren. Eerdere studies werden namelijk belemmerd door onnauwkeurige voedselsamenstellingstabellen voor oxalaat en ontoereikende methoden voor het bestuderen van intestinale oxalaatabsorptie. Recent onderzoek suggereert dat de intestinale absorptie van oxalaat via de voeding een substantiële bijdrage kan leveren aan de uitscheiding van oxalaat via de urine en dat deze absorptie kan worden gewijzigd door de inname van oxalaat te verminderen of de inname van calcium, magnesium en vezels te verhogen.

 

Opname, transport en metabolisme

 De biologische beschikbaarheid van oxalaat wordt gemedieerd door het transport van oxalaat door het maagdarmkanaal. In de mens verloopt het grootste deel van het oxalaattransport via absorptie en secretie en wordt gemedieerd door transcellulaire aniontransporters. Met name een aantal transporteiwitten met affiniteit voor oxalaat zijn geïdentificeerd uit de SLC26-genfamilie en bevinden zich voornamelijk in de dunne en dikke darm. Oxalaat kan ook passief in de maag worden opgenomen. Oxalaat kan het lichaam binnendringen, hetzij rechtstreeks via de voeding, hetzij indirect als een terminale metaboliet die door de lever wordt geproduceerd. Oplosbaar oxalaat wordt gemakkelijker geconsumeerd en geabsorbeerd door de darmwand en kan aldus dienen als een toxine na de inname, dat zich kan ophopen als calciumoxalaatkristallen in de nieren en andere organen. Beide vormen van oxalaat worden typisch geproduceerd in planten.

 

In de mens worden ten minste 13 voedingsprecursoren, waaronder glucose, fructose, glyoxaal, ascorbinezuur, fenylalanine, tryptofaan, hydroxyproline en glycine, gemetaboliseerd via complexe routes om NADH te produceren (zie Figuren 1 en 2), terwijl oxalaat als bijproduct wordt geproduceerd (zie Figuur 2). Vitamine C (ascorbinezuur of ascorbaat) kan worden omgezet in oxalaten, maar blijkbaar raakt het biochemische conversiesysteem al verzadigd bij een laag vitamine C-gehalte, zodat er geen extra oxalaat wordt gevormd, totdat relatief grote doses (meer dan 4 g per dag) worden geconsumeerd. In Figuur 3 wordt de synthese van glyoxaal en oxalaat in de plant getoond. Oxalaat dat direct in het dieet wordt geconsumeerd, kan meer dan 50% van het oxalaat dat in de urine wordt uitgescheiden bijdragen. Talloze factoren dragen echter bij aan urinair oxalaat en onder sommige omstandigheden kan de endogene productie van oxalaat de grootste bijdrage leveren aan urinair oxalaat. Dat glucose en fructose de synthese van de di-aldehyde glyoxaal kunnen doen stijgen en daarmee een significante bijdrage kunnen leveren aan de endogene oxalaatproductie in het lichaam van de mens, is niet bij alle medici bekend.

 

 

Figuur 1. Biosynthese van glyoxaal in de mens. Glyoxaal staat als precursor centraal bij de productie van oxalaat. Bron.

 

Figuur 2. Biosynthese (in de mens) van oxaalzuur uit de aldehyde glyoxaal. Bron.

 

 

                Figuur 3. De synthese van glyoxaal en oxalaat in de plant.

 

 

Glyoxal (zie Figuur 1 en 2) is één van de belangrijkste precursors voor de endogene productie van oxaalzuur in de mens. Glyoxal (O=CH–CH=O) is een α-oxo-aldehyde en wordt vaak gegroepeerd met twee vergelijkbare α-oxo-aldehyden, methylglyoxal en 3-deoxyglucoson. Alle drie de verbindingen zijn producten van verschillende metabole en oxidatieve reacties en kunnen celbeschadiging en apoptose veroorzaken. Ze zijn ook betrokken bij de vorming van advanced glycation end-products (geavanceerde glycatie-eindproducten, AGE's) die in verband worden gebracht met langdurige gevolgen van chronische ziekten zoals diabetische retinopathie, neuropathie en nefropathie. Hoewel suikers als de belangrijkste bron van glyoxal worden beschouwd, is lipideperoxidatie van vetzuren zoals linolzuur en linoleenzuur ook een potentieel belangrijke bron van deze aldehyde. Het natuurlijke flavonol quercetine kan de vorming van AGE’s uit glyoxaal remmen.

 

Voor de omzetting van glyoxal in het minder toxische glycolaat is glutathion (GSH) nodig, zie Figuur 2. Tijdens oxidatieve stress kan de glutathionvoorraad uitgeput raken en de hoeveelheid glyoxal in de cel stijgen. Hoge glyoxalconcentraties produceren reactieve zuurstofmoleculen (ROS) en formaldehyde, verhogen de celgevoeligheid voor waterstofperoxide en verstoren het mitochondriale membraanpotentieel.  Diabetici hebben vaak hogere plasmaglyoxalspiegels dan controles, vermoedelijk als gevolg van verhoogde lipideperoxidatie en eiwitglycatie, evenals verhoogde urinaire oxalaatuitscheiding . Diabetici hebben ook een hoger risico op niersteenvorming.

 

Glyoxylzuur/glyoxylaat (GA) is de belangrijkste voorloper van endogeen oxalaat en wordt voornamelijk afgeleid van suikers, glycine, glycolaat en hydroxyproline. Het kan ofwel worden omgezet in C0₂ in lever- en niermitochondriën door het van actieve vitamine B1-afhankelijke enzym α-ketoglutaraat:GA carboligase en via de glyoxylaatoxidatiecyclus, of het kan worden geoxideerd tot oxalaat door glycolzuuroxidase (GAO) en lactaatdehydrogenase (LDH). Thiaminedeficiëntie leidt tot overmatige ophoping van GA in weefsels en verhoogde uitscheiding in de urine en kan leiden tot een grotere incidentie van nierstenen. Er zijn echter tegenstrijdige berichten over het effect van thiamine-deficiëntie op de uitscheiding van oxalaat.  Glyoxalen zijn reactieve alfa-oxoaldehyden die endogeen worden gevormd uit suikers, waarvan de niveaus worden verhoogd bij verschillende pathologische aandoeningen die verband houden met hyperglykemie and thiaminedeficiëntie. Bij proefdieren met hyperglykemie en thiaminedeficiëntie worden vaak hogere glyoxaalniveaus waargenomen. Tekorten aan thiamine kunnen overigens vaker voorkomen onder de bevolking dan algemeen wordt aangenomen.

 

Primaire hyperoxalurie type 1 (PH1) wordt veroorzaakt door een deficiëntie van het enzym alanine:glyoxylaat-aminotransferase (AGT), dat normaliter voorkomt in de peroxisomen van levercellen; dit enzym katalyseert de omzetting van glyoxylaat in glycine en is afhankelijk van de actieve vorm van vitamine B6 (pyridoxaal-5-fosfaat). Wanneer AGT-activiteit afwezig is, wordt glyoxylaat omgezet in oxalaat, waardoor onoplosbare calciumoxalaatkristallen gevormd kunnen worden die zich ophopen in de nier en andere organen. Personen met PH1 lopen onder meer risico op terugkerende nefrolithiase (afzetting van calciumoxalaat in het nierbekken/urinewegen), nefrocalcinose (afzetting van calciumoxalaat in het nierparenchym) of terminale nierziekte (ESRD). Bij deel van deze patiënten kan toediening van actieve vitamine B6 de klachten verlichten.

 

Bij de genetische ziekte primaire hyperoxalurie type 2 (PH2) is er een dysfunctie van een enzym glyoxalaat/hydroxypyruvaatreductase  (GRHPR). Het GRHPR-gen ligt op chromosoom 10. Het bijbehorende enzym heeft twee biochemische activiteiten: glyoxylaatreductase en hydroxypyruvic-reductase. Dit enzym zet glyoxylaat om in glycolaat en glyceraat in hydroxypyruvaat. Wanneer dit enzym deficiënt is, kan L-glycerinezuur (glyceraat) niet worden omgezet in hydroxypyruvaat en kan glyoxylaat niet worden omgezet in glycolaat. Bij deze ziekte wordt glyoxylaat steeds meer omgezet in oxalaat en ook glyceraat is zeer verhoogd.

 

Primaire hyperoxalurie type 3 (PH 3) is een recent beschreven aandoening en komt voor in 10% van PH-gevallen. Het genetische defect in PH3 is gelokaliseerd in het HOGA1-gen op chromosoom 9, dat codeert voor het mitochondriale enzym 4-hydroxy 2-oxoglutaraat-aldolase. Dit enzym breekt 4-hydroxy-2-oxoglutaraat af tot pyruvaat en glyoxalaat, dat op zijn beurt wordt omgezet in oxalaat.

 

De ophoping van calciumoxalaatafzettingen in weefsels staat bekend als oxalose. Oxalose kan zowel via erfelijke (d.w.z. primaire hyperoxalurie) als andere mechanismen optreden. De accumulatie van kleine hoeveelheden calciumoxalaatkristallen bij afwezigheid van een afwijkend oxalaatmetabolisme wordt dystrofische oxalose genoemd. Dit is gemeld in een aantal weefsels, waaronder arteriële atherosclerotische plaques, myocardium, longen, botten, lymfeklieren, testis, schildklier, borst, oogweefsel, hersenen en nieren. Bovendien kunnen oxalaatkristallen in het bot de beenmergcellen verdringen, wat kan leiden tot bloedarmoede en immunosuppressie. Naast autisme en nier-aandoeningen kunnen personen met fibromyalgie en vrouwen met vulvaire pijn (vulvodynie) last hebben van de effecten van een teveel aan oxalaten.

 

In een studie van calciumoxalaatafzettingen in atherosclerotische plaques in de kransslagaders, hadden de 4 patiënten allemaal chronische ziekten die de oxidatieve stressniveaus kunnen verhogen, waaronder AIDS, hepatitis C, sepsis, ischemische hartziekte en kanker. Calciumoxalaatkristallen werden ook gevonden in het myocard, lymfeklieren, testis en schildklierweefsel . Oxalaatkristallen zijn vaak waargenomen in schildklier- en borstweefsel. Calciumoxalaatafzetting in het netvlies is gemeld na trauma en in de lens van glaucoompatiënten. Een gemeenschappelijk factor van veel van deze aandoeningen is oxidatieve stress, die de aanmaak van meer glyoxal en het metabolisme ervan tot oxalaat verhoogt; dat kan de in bovengenoemde weefsels beschreven oxalaatafzetting bevorderen en kan worden beïnvloed door de duur van oxidatieve stress. Zo wordt nierziekte in het eindstadium geassocieerd met oxidatieve stress. Enoki et al. rapporteerde dat de afzetting van oxalaat in de nieren van patiënten met verworven cystische ziekte positief gecorreleerd was met het aantal maanden dat gedialyseerd werd.

 

Hoewel autismespectrumstoornissen (ASS) een sterk genetische grondslag hebben, kunnen bepaalde metabole stoornissen bijdragen aan klinische kenmerken. Hyperoxalemie en hyperoxalurie kunnen betrokken zijn bij de pathogenese van ASS bij kinderen. Of dit het gevolg is van een verminderde renale excretie of een uitgebreide intestinale absorptie (al dan niet t.g.v. een verhoogde productie door schimmels), of beide, of dat oxalaat de bloed-hersenbarrière kan passeren en de CZS-functie bij autistische kinderen kan verstoren, is nog niet volledig duidelijk. Naast oxaalzuur worden bij autistische personen ook vaak verhoogde waarden van arabinose waargenomen. Arabinose is een pentosesuiker met een functionel aldehydegroep, die wordt geproduceerd door schimmels zoals Candida.

 

Oxalaten en darmmicrobioom

 Het menselijk lichaam herbergt een complex microbieel ecosysteem. Het maagdarmkanaal bevat de meest talrijke microbiële gemeenschap (de darmmicrobiota), bestaande uit ongeveer 10¹³ microbiële cellen. Gezamenlijk coderen de geaggregeerde genomen van de darmmicrobiota voor meer dan 100 à 150 keer zoveel unieke genen als de ongeveer 20.000 eiwitcoderende genen in het menselijk genoom. Daarom is het niet verrassend dat deze genen van het darmmicrobioom en hun gecodeerde metabolische activiteiten de metabolische capaciteiten van de gastheer kunnen vergroten.

 

Microben in de darm zijn van groot belang voor het menselijk lichaam. De samenstelling van iemands darmflora is individueel specifiek en wordt sterk beïnvloed door genetica, groei en ontwikkeling, locatie en voeding. Met naar schatting 1018 micro-organismen, voornamelijk bestaande uit anaërobe bacteriën, is het darmmicrobioom verantwoordelijk voor meerdere functies bij de stoelgang, de vertering van voedsel en de opname van voedingsstoffen. Omdat de hersenen en de darmen op een bidirectionele manier werken, kunnen ze elkaars functies beïnvloeden en een aanzienlijke invloed hebben op stress, angst, depressie en cognitie. Er komen steeds meer aanwijzingen dat een verstoorde darmflora een rol kan spelen bij de pathogenese van mentale aandoeningen zoals depressiviteit, autisme en schizofrenie. En de dynamische interacties tussen de darmflora en het aangeboren en adaptieve immuunsysteem van een gastheer spelen een sleutelrol bij het handhaven van de intestinale homeostase en het remmen van ontstekingen. Negatieve veranderingen in de microbiële samenstelling van de darm kunnen ook de immuunreacties ontregelen, wat kan leiden tot ontsteking, oxidatieve stress en insulineresistentie. In de loop van de tijd kunnen chronische dysbiose en de translocatie van bacteriën en hun stofwisselingsproducten door de mucosale barrière de prevalentie van diabetes type 2, hart- en vaatziekten, inflammatoire darmaandoeningen, auto-immuunziekten en een verscheidenheid aan kankers verhogen.

 

Xenobiotica zijn lichaamsvreemde stoffen die soms toxisch kunnen zijn voor de mens. Bijvoorbeeld diverse geneesmiddelen, pcb’s, maar ook stoffen die in planten en voeding voorkomen behoren tot deze groep. Het metabolisme van deze xenobiota omvat onder meer de enzymatische omzetting van gemakkelijk geabsorbeerde lipofiele verbindingen in meer hydrofiele producten voor uitscheiding. De lever is de belangrijkste plaats van deze omzettingen, maar relevante biotransformaties vinden ook plaats in het maagdarmkanaal en veel andere weefsels. Hoewel de specifieke reeks reacties per stof verschilt, veranderen in veel gevallen cytochroom P450 (CYP450)-enzymen, carbonylreductasen, carboxylesterasen en andere enzymen xenobiotica eerst door oxidatie, reductie en/of hydrolyse. Transferasen conjugeren vervolgens de resulterende producten met geladen moleculen zoals glucuronzuur en sulfaat, waardoor polaire derivaten worden gevormd die gemakkelijker via gal of urine kunnen worden uitgescheiden.

 

Ook ons darmmicrobioom codeert voor enzymen die xenobiotica ontgiften, wat resulteert in veranderingen in werkzaamheid en/of toxiciteit van deze stoffen. Een mooi voorbeeld van de invloed van de darmflora op xenobiotica is hoe de in de darm levende bacterie Actinobacterium Eggerthella lenta het geneesmiddel/hartglycoside digoxine inactiveert. Het darmmicrobioom ontgift ook voedingsbestanddelen. Veel planten produceren bijvoorbeeld oxalaat. Zoogdieren en mensen missen de enzymen die nodig zijn om oxalaat te ontgiften, in plaats daarvan zijn ze afhankelijk van uitscheiding via de nieren en de microbiële biotransformatie van oxalaat.

 

Oxalobacter formigenes is een van de belangrijkste bacteriën die verantwoordelijk zijn voor deze reactie. Oxalobacter formigenes is een Gram-negatieve, obligaat-anaërobe bacterie die behoort tot de groep van de β-Proteo-bacteriën. Aangetoond is dat deze bacterie oxalaat als enige koolstof- en energiebron gebruikt en niet groeit op suikers (glycolytische pathways zijn afwezig in dit organisme). Mogelijk heeft deze bacterie een heel kleine hoeveelheid acetaat nodig als aanvullende koolstofbron bij de groei. Een gebrek aan O. formigenes is geassocieerd met een verhoogd risico op hyperoxalurie en nierstenen, en toediening van O. formigenes kan de oxalaat-concentraties in de urine helpen verlagen.

 

Van vier enzymen die onder meer in Oxalobacter formigenes voorkomen is bekend dat ze deelnemen aan het katabolisme van oxalaat:

1. Een oxalaat:formiaat-antiporter, waardoor oxalaat de bacteriële cel kan binnendringen (formiaat is het anion van mierenzuur).
2. Formyl-CoA-transferase, dat oxalaat omzet in oxalyl-CoA.
3. Oxalyl-CoA-decarboxylase, dat formyl-CoA oplevert. Dit enzym heeft vitamine B1 in zijn actieve vorm thiaminecocarboxylase of thiaminepyrofosfaat als cofactor.
4. Oxalaat-oxidoreductase  is ook een vitamine B1 thiaminecorboxylase/pyrofosfaat afhankelijk enzym dat oxalaat metaboliseert, waarbij twee moleculen CO₂ en twee elektronen met een laag potentieel worden gegenereerd, waardoor zowel de koolstof- als reducerende equivalenten worden verschaft voor de werking van de Wood-Ljungdahl-route waarbij acetaat (azijnzuur) wordt gevormd.

In onderstaande Figuur 4 worden deze reacties getoond. Strikt genomen is de ‘netto reactie’ de omzetting van oxaalzuur in één molecuul CO₂ en één molecuul mierenzuur (formiaat of formate). Mierenzuur is echter nog steeds een toxische stof, maar minder toxisch dan oxalaat.

 

 

 

Microbieel oxalaatmetabolisme in het maagdarmkanaal vindt plaats via een goed beschreven, tweestaps enzymatische reactie. In O. formigenes bemiddelt de membraan-geassocieerde antiporter OxlT de gelijktijdige overdracht van oxalaat in de cel en formaat uit de cel. Eenmaal in de cel wordt oxalaat afgebroken door de microbiële enzymen oxalyl-CoA decarboxylase en formyl-CoA transferase, die geproduceerd worden door respectievelijk de genen oxc en frc. Varianten van de oxc- en frc-genen zijn geïdentificeerd in sommige, maar niet alle, oxalaat-afbrekende darmbacteriën, waaronder die van de geslachten Lactobacillus, Enterococcus en Bifidobacterium. Hoewel deze taxa het OxlT-gen niet hebben, kunnen andere genproducten het transport van oxalaat naar de bacteriële cel bemiddelen. Bij de afbraak van oxalaat worden één molecuul koolstofdioxide en één molecuul formiaat (mierenzuur) geproduceerd voor elk molecuul oxalaat dat wordt afgebroken.

Oxalaat-afbrekende bacteriën vormen een functionele groep micro-organismen, die vaak worden aangetroffen in het maagdarmkanaal van zoogdieren. Van circa 20 soorten darmbacteriën is nu bekend dat ze oxalaat afbreken en/of de absorptie ervan kunnen verminderen. Veel algemeen geconsumeerde planten bevatten naast oxaalzuur ook andere secundaire plantenstoffen die de fysiologische homeostase van zoogdieren kunnen veranderen; voorbeelden van dergelijke stoffen die door microben kunnen worden gemetaboliseerd, zijn oxalaten, mimosine, tanninen, fenolische verbindingen en methylxanthine-alkaloïden zoals cafeïne. De microbiële bijdrage aan het overwinnen van uitdagingen die gepaard gaan met het consumeren van planten is algemeen bekend en wordt weerspiegeld in de diversiteit van de darmmicrobiota, die het grootst is bij herbivoren van zoogdieren, gevolgd door alleseters en carnivoren.

 

Plantaardige diëten worden in verband gebracht met een verminderd risico op door levensstijl veroorzaakte chronische ziekten. De duizenden fytochemicaliën die ze bevatten, zijn betrokken bij cellulaire mechanismen die het antioxidantsysteem kunnen bevorderen en ontstekingenen verminderen. Hoewel aanbevelingen de inname van fruit en groenten aanmoedigen, halen de meeste mensen hun dagelijkse inname niet. Diverse deskundigen uiten echter ook zorgen over de vraag of ze voor iedereen heilzaam zijn vanwege de variëteit aan 'antinutriënten' die ze bevatten. Sommige van deze antinutriënten die in twijfel worden getrokken, omvatten lectines, oxalaten, goitrogenen, fyto-oestrogenen, fytaten en tannines. Bepaalde, selecte individuen met specifieke gezondheidsproblemen kiezen er daarom voor om hun inname van plantaardig voedsel te verminderen.

 

De tolerantie van oxalaat door zoogdieren wordt vaak vergemakkelijkt door de aanwezigheid van oxalaat-afbrekende bacteriën in hun darmmicrobiota. Oxalobacter formigenes  was één van de eerste oxalaat-afbrekende darmmicroben die werd gekarakteriseerd. Daarnaast zijn diverse andere soorten geïdentificeerd die oxalaat kunnen afbreken, maar dit niet nodig hebben voor hun groei. Deze omvatten soorten van onder andere de geslachten Lactobacillus, Bifidobacterium, Enterococcus en Eubacterium, zie Tabel 2. Eén soort, Enterococcus faecalis, kan oxalaat gebruiken als enige koolstof- en energiebron in een verder voedselarme omgeving, maar kan ook andere substraten gebruiken voor groei.

 

Tabel 2. Lijst van bekende oxalaat-afbrekende bacteriën die gewoonlijk de darm van zoogdieren bewonen, waar ze werden geïsoleerd, en hun oxalaat-afbrekende functie. N/A betekent dat de biochemische pathway/route onbekend is. Bron.

 

Patiënten met inflammatoire darmziekte (IBD) lijden vaak aan verstoorde oxalaathomeostase en calciumoxalaatnefrolithiasis.  Patiënten met IBD hebben een verhoogd risico op oxalaattoxiciteit, vanwege een aandoening die enterische hyperoxalurie (EH) wordt genoemd. In EH kan de verhoogde biologische beschikbaarheid en hyperabsorptie van intestinaal oxalaat resulteren in oxalaatnefrolithiasis  (Corica and Romano, 2016; Liu and Nazzal, 2019). Ook bij personen met een ‘leaky gut’ kan hyperabsorptie van oxalaat optreden. Aangetoond is, dat bij IBD-patiënten het enterische oxalaatniveau verhoogd is, waarbij de hoogste niveaus worden gevonden bij patiënten met de ziekte van Crohn (CD). EH wordt vaak waargenomen in combinatie met spijsverteringsziekten die de vetopname beïnvloeden, zoals CD, cystische fibrose, chronische galaandoeningen, pancreaspathologieën en korte-darmsyndroom. Chronische diarree geassocieerd met malabsorptie van vet kan resulteren in een laag urinevolume, hypocitraturie en hypomagnesurie, wat het risico op steenvorming verder verhoogt. Bij EH kan er sprake zijn van malabsorptie van vet, waardoor onverteerde vetzuren zich aan calcium binden en er minder oxalaat aan calcium gebonden kan worden en meer vrij oxalaat vanuit het darmlumen wordt opgenomen in het lichaam, zie Figuur 5. Omdat veel nierstenen calcium bevatten, denken sommige mensen met nierstenen dat ze calciumsupplementen moeten vermijden. Het tegendeel is echter waar.

 

 

 

Figuur 5. Oxalaat in de urine is afkomstig/afgeleid van een combinatie van levermetabolisme en gastro-intestinale absorptie bij enterische hyperoxalurie. Oxalaat is een eindproduct van het glyoxalaatmetabolisme in de lever (A). De rest van systemisch oxalaat is afkomstig van de inname van bepaalde groenten en fruit. Het oxalaat in deze planten heeft meestal de vorm van relatief onoplosbare calciumoxalaatkristallen. Daarom wordt onder normale omstandigheden slechts 5%-10% van het ingenomen oxalaat geabsorbeerd en de rest komt in de ontlasting. Bij patiënten met malabsorptie van vet door welke oorzaak dan ook (enterische hyperoxalurie), bereiken onverteerde vetzuren de dikke darm waar ze zich kunnen combineren met calcium; (B) het netto-effect is dat er meer vrij oxalaat vrijkomt in het darmlumen. Men denkt dat dit vrije oxalaat grotendeels paracellulair wordt opgenomen in de dikke darm. Door de malabsorptie van vet kan bij patiënten met enterische hyperoxalurie het netto percentage ingenomen oxalaat dat uiteindelijk wordt geabsorbeerd oplopen tot ≥ 30%. Elk oxalaat dat uit de lever komt of uit de voeding wordt geabsorbeerd, wordt door (C) het bloed naar (D) de nieren gebracht, waar het wordt uitgescheiden via een combinatie van glomerulaire filtratie en proximale tubulaire secretie. De verhoogde afgifte van oxalaat aan de nieren leidt tot (E) verhoogde excretie van oxalaat via de urine, waardoor deze patiënten het risico lopen op nierstenen van calciumoxalaat, corticomedullaire nefrocalcinose en oxalaatnefropathie. Bron.

 

 

Van IBD-patiënten is ook bekend dat ze lage niveaus van O. formigenes-kolonisatie hebben (Kumar et al., 2004). EH komt vaak voor bij IBD-patiënten, vooral bij CD, en bij degenen die een maagbypass hebben ondergaan.  O. formigenes is een oxalaatafbrekende, gramnegatieve, anaërobe bacterie die gevoelig is voor meerdere antibiotica, waaronder macroliden, tetracyclines, metronidazol en clindamycine (Kharlamb et al., 2011; Mittal et al., 2005). De verminderde kolonisatie van O. formigenes bij IBD-patiënten kan een weerspiegeling zijn van de frequente antibioticabehandelingen die zij krijgen. In onderzoek bij mensen is aangetoond dat een enkele antibioticakuur om Helicobacter pylori uit te roeien resulteert in de langdurige onderdrukking van de kolonisatie van O. formigenes (Kharlamb et al., 2011). Dit ondersteunt het idee dat antibiotica microbioomdysbiose verergeren en kunnen leiden tot secundaire aandoeningen zoals EH.

 

Oxalaten en immuniteit

Monocyten zijn afgeleid van myeloïde voorlopercellen en zijn belangrijke spelers in het aangeboren immuunsysteem. Ze zijn belangrijk voor het bestrijden van infecties en het reageren op ontstekingen. Vermoedelijk spelen monocyten een rol bij het verwijderen van oxalaatneerslagen/de kristalklaring in weefsel en organen, en als ze niet goed worden geklaard, kunnen ze leiden tot verhoogde ontsteking, oxidatieve stress en weefselbeschadiging. Het vermogen van monocyten om hun fysiologische functies uit te voeren, hangt af van een goede oxidatieve fosforylering/mitochondriale functie. Mitochondriën zijn van cruciaal belang voor de energieproductie en het reguleren van intracellulaire signalering via de vorming van reactieve zuurstofsoorten (ROS). Overmatige niveaus van ROS kunnen de cel echter beschadigen, de mitochondriale functie verstoren en een cascade van gebeurtenissen stimuleren die leiden tot verdere ROS-generatie en inflammatie.

 

Van oxalaat-kristallen en oxalaat is gemeld dat ze ROS in niercellen genereren, en dat oxalaat de mitochondriale eiwitten verstoort en de oxidatieve stress in de proximale tubulaire cellen van de nier verhoogt. Ook kunnen oxalaatkristallen de celmembraan en lysosomen in de cel beschadigen. Bovendien is gemeld dat menselijke macrofagen die zijn blootgesteld aan calciumoxalaat-kristallen inflammatoire cytokinen en chemokinen vrijgeven. In monocyten die zijn gerekruteerd op plaatsen van ontsteking en letsel in de nier, kunnen de mitochondriën door oxalaten aangetast zijn als gevolg van de pro-inflammatoire en pro-oxidatieve omgeving. Vermoedelijk kunnen met oxalaten belaste macrofagen ook histamine afgeven. In studies is aangetoond dat de mitochondriale functie van monocyten is aangetast bij patiënten met calciumoxalaat-nierstenen en zij een verminderde mitochondriale functie in hun circulerende monocyten hebben in vergelijking met gezonde proefpersonen. Calciumoxalaat-kristallen onderdrukken de cellulaire bio-energetica onderdrukken en verstoren de redox-homeostase in monocyten. Bovendien is aangetoond dat calciumoxalaat-kristallen menselijke monocyten differentiëren tot pro-inflammatoire macrofagen. Steeds meer onderzoekers gaan ervan uit dat oxalaten de immuniteit van de mens nadelig beïnvloeden.

In dit artikel en deze studie kunt u nalezen hoe oxaalzuur en de zouten/kristallen daarvan de functie van mitochondria nadelig kunnen beïnvloeden, de voorraad glutathion kunnen uitputten en mede tot oxidatieve stress kunnen leiden, zoals afgebeeld in onderstaande Figuur 6.

 

 

      Figuur 6. Oxalaten beïnvloeden de mitochondriale functie en redoxbalans nadelig.

 

Maatregelen

Personen die gevoelig zijn voor oxaalzuur dienen hun voeding aan te passen en moeten voldoende water drinken. Hun voeding dient bovendien voldoende vitamine B1, B6, calcium en magnesium te bevatten. Inzet van probiotica met Lactobacillen en Bifidobacteriën lijkt veelbelovend bij de afbraak van oxaalzuur.

 

In het laboratorium kunnen in urine oxaalzuur, metabolieten van schimmels zoals arabinose, furandicarbonzuur, hydroxy-methylfuronzuur en humane metabolieten die iets zeggen over genetische afwijkingen van het oxaalzuurmetabolisme, zoals glycolzuur (glycolaat) en glycerinezuur (glyceraat), bepaald worden. Ook kan het bepalen van de nierfunctie en de samenstelling van nierstenen kan waardevol zijn. Met name bij het vermoeden van enterische en primaire hyperoxalurie kunnen DNA-tests worden gedaan.