哺乳動物妊娠期鈣代謝的研究進展

姬浩起，張志飛，鮑穎穎，官北清，鄭惠玲

（西北農(nóng)林科技大學動物科技學院，陜西楊凌 712100）

鈣是動物體內(nèi)極為重要的一種常量元素，參與動物體骨骼和牙齒的構(gòu)成，參與維持神經(jīng)信號傳導、肌肉收縮和免疫等生理學功能[1]。骨骼、腸道、腎臟及哺乳動物乳腺組織是維持動物體內(nèi)鈣平衡與鈣穩(wěn)態(tài)的重要場所。一些鈣調(diào)節(jié)激素如降鈣素（CT）、甲狀旁腺激素（PTH）和1,25-二羥基維生素D3（1,25-（OH）2-VitD3）對動物體內(nèi)鈣代謝的調(diào)節(jié)起到至關重要的作用[2]。

正常情況下，食物是哺乳動物鈣的唯一來源，飲食中攝入的鈣約有30% 可被機體吸收。骨骼中的鈣占動物體內(nèi)總鈣含量的99%，剩余1%分布于細胞外液及血液中[3]。一般情況下，雌性動物從日糧中攝取的鈣足以維持自身需要，但在妊娠期內(nèi)，雌性個體既要維持自身鈣代謝，又要滿足胎兒生長發(fā)育對鈣的需求，因此極易發(fā)生鈣平衡和鈣穩(wěn)態(tài)紊亂，誘導多種鈣代謝相關疾病的發(fā)生[4]，如產(chǎn)后癱瘓、酮病、胎兒生長發(fā)育不良等[5]，給畜牧生產(chǎn)帶來較大經(jīng)濟損失。本文綜合近年來國內(nèi)外妊娠期哺乳動物鈣代謝相關研究，從不同組織器官鈣代謝情況及鈣代謝過程中重要的調(diào)節(jié)因子的調(diào)控作用進行綜述，旨在為更多哺乳動物妊娠期鈣代謝調(diào)節(jié)相關研究提供依據(jù)。

1 妊娠期哺乳動物鈣代謝特點

妊娠期的哺乳動物平均每天向胎兒提供30 g 鈣、20 g 磷，其中80% 以上的鈣轉(zhuǎn)運發(fā)生在妊娠后期，由此可見妊娠后期是整個妊娠期鈣代謝的關鍵期及鈣穩(wěn)態(tài)薄弱期。在這一時期，動物腸道對鈣的吸收能力增強，鈣流失降低，同時從骨骼中釋放鈣離子以補充體內(nèi)鈣的不足。雌性動物妊娠期間不僅需要攝入足夠量的鈣以供應胎兒的鈣吸收，確保胎兒骨骼有充足的鈣沉積，保持母體細胞內(nèi)鈣信號的級聯(lián)反應，以維持正常的信號傳導、肌肉收縮、免疫等生理學功能，同時也要維持細胞內(nèi)正常的鈣濃度，避免鈣攝入過多細胞發(fā)生鈣中毒等鈣代謝紊亂現(xiàn)象[6]。

懷孕鼠常作為雌性動物妊娠期內(nèi)鈣代謝調(diào)控研究的模式動物，其妊娠期較短，約為19～22 d，且每胎產(chǎn)6～12 個仔鼠。研究表明，懷孕鼠在懷孕17 d 到足月期間要為每個胎兒提供12 mg 鈣，占整個妊娠期鈣供給的95%[6]，可輸送超過80%的母體鈣循環(huán)量。雖然人類、牛、羊等大型哺乳動物在妊娠期向胎兒輸送的鈣僅占母體循環(huán)系統(tǒng)鈣總量的5%～10%，但總鈣量較大[7]，因而妊娠期哺乳動物在妊娠期患低血鈣癥及繼發(fā)性甲狀旁腺功能亢進的幾率十分高。

同樣，豬、奶牛、山羊、綿羊等大型哺乳動物也存在妊娠期血液鈣濃度降低、鈣代謝需求顯著升高的現(xiàn)象[8-11]。用不同鈣含量的飼料飼喂山羊，發(fā)現(xiàn)妊娠期母羊飼用低鈣日糧較普通日糧及高鈣日糧更容易發(fā)生低血鈣癥[12]。妊娠期動物血鈣濃度大約會下降25%，而低血鈣發(fā)生時血清中鈣濃度僅為正常水平的50%，甚至更低，由于血鈣濃度嚴重降低，母體會增加相關激素的分泌，鈣代謝活動在一定程度上加強，但血清鈣濃度仍無法調(diào)節(jié)至正常水平，同時還可能引發(fā)激素功能亢進類疾病[13]。妊娠期奶?；蚰萄虬l(fā)生低血鈣癥的癥狀常為產(chǎn)后癱瘓、長臥不起，嚴重時可導致死亡，造成較大的經(jīng)濟損失[5,14]。

2 妊娠期哺乳動物不同器官鈣代謝機制

妊娠期哺乳動物的鈣代謝過程受到外源攝入養(yǎng)分及體內(nèi)鈣信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)的共同作用，當母體對鈣需求急劇增加，而機體不能及時對血鈣濃度的急劇變化作出相應調(diào)節(jié)時，就會出現(xiàn)一系列的器官鈣代謝自適應功能紊亂綜合征。母體自身調(diào)節(jié)機制包括：胃腸道對鈣的吸收、腎臟對鈣的重吸收、骨鈣代謝以及哺乳動物乳腺鈣代謝調(diào)控等過程[14]。

2.1 腸道 動物從食物中攝取的鈣有20%～30% 能夠經(jīng)腸道吸收轉(zhuǎn)運進入血液循環(huán)，到達各組織器官發(fā)揮其生理作用，或沉積于骨骼之中作為鈣儲備存在。腸道是鈣吸收的主要部分，小腸各部分（十二指腸、空腸、回腸）的長度及理化性質(zhì)不同導致食糜的存留時間存在較大差異，因而三者對鈣的吸收能力有所不同，回腸的鈣吸收量達65%，十二指腸占8%～10%[15]。小腸黏膜對鈣的吸收主要通過3 個途徑[14]：①跨細胞運輸。鈣離子跨細胞運輸為逆電化學梯度的主動吸收方式，鈣離子通過小腸上皮刷狀緣的鈣離子受體TRPV6 進入細胞，之后鈣離子與胞漿內(nèi)蛋白結(jié)合，維持細胞內(nèi)鈣離子水平；②細胞旁途徑。細胞旁途徑為順化學梯度的擴散吸收方式，其過程中不需任何載體蛋白的協(xié)助，當腸腔內(nèi)鈣離子濃度大于2 mmol/L 時可進行細胞旁途徑運輸[14]，在腸道的各部位都普遍存在。③囊泡運輸。囊泡運輸途徑為細胞膜形成包裹鈣離子的囊泡以胞吞胞吐的形式進行鈣離子的轉(zhuǎn)運方式。

同位素標記鈣的試驗證實，妊娠期大鼠通過腸道吸收的鈣是正常時期的2 倍[16]。小腸細胞中調(diào)控鈣吸收的調(diào)節(jié)因子，如鈣離子受體TRPV5、TRPV6、鈣結(jié)合蛋白Calbindin-D-28k 等在妊娠時期的表達量均高于非妊娠時期[16]；胎盤素、生長激素、催乳素及1,25-二羥基維生素D3是促進哺乳動物妊娠期特別是妊娠后期胃腸道吸收鈣能力的重要調(diào)控因子，其中1,25-二羥基維生素D3水平提升3～4 倍，是這一時期腸道鈣穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)劑[17]。

2.2 腎臟 腎臟是動物體鈣代謝的主要器官之一，血液中的游離鈣離子可以通過腎小球的濾過作用進入原尿中，而經(jīng)腎小球濾過的鈣離子約有99% 會被重吸收進入血液循環(huán)之中，剩余1%隨尿液排出體外。其中，腎小管的近端小管為重吸收作用的主要部位，其吸收率可達60%～70%，髓襻部位的重吸收可占20%～30%。處于近端小管細胞內(nèi)的鈣離子會通過細胞基側(cè)膜上的Ca2+-ATP 泵泵出細胞，進入血液循環(huán)；髓襻部位的鈣離子主要通過Na+和Cl-主動轉(zhuǎn)運形成電位差，繼發(fā)性通過主動轉(zhuǎn)運對鈣離子進行重吸收[18]。

妊娠期間哺乳動物尿鈣排泄量明顯升高，正常女性的尿鈣排泄量為2.50～8.75 mmol/d，而孕婦的排出量高達15.5 mmol/d[19]。這一現(xiàn)象與妊娠期腎小球濾過率顯著上升有著密不可分的關系，同時妊娠期機體內(nèi)皮質(zhì)類固醇、甲狀腺激素、甲狀旁腺激素等分泌量增加也可促進尿鈣排泄。妊娠期母體腎臟1-α羥化酶活性增強促進1,25-二羥基維生素D3合成，啟動骨鈣動員以補充循環(huán)系統(tǒng)中的鈣含量，防止母體血鈣濃度過低[20]。

2.3 骨骼 骨骼是動物機體結(jié)構(gòu)的基本支架，具有支持、保護、維持形態(tài)以及運動等基本功能。動物機體中約有99%的鈣以鈣鹽的形式沉積于骨骼和牙齒之中，作為鈣庫儲備來調(diào)節(jié)維持機體內(nèi)的鈣平衡，在需要時可通過生物化學途徑溶解進入血液循環(huán)。

骨鈣與血鈣的平衡依賴于骨形成、骨吸收和骨重建等多個過程，骨形成過程依賴于成骨細胞的成骨作用，將血鈣和血磷轉(zhuǎn)運至正在鈣化的骨組織之中。骨吸收過程依賴于破骨細胞的溶解作用，吸收骨組織中的鈣離子，使其逸出到達血液中。為維持骨骼的基本形態(tài)與功能，骨骼的自我更新過程依賴于成骨細胞與破骨細胞的協(xié)調(diào)作用且受到甲狀旁腺激素和1,25-二羥基維生素D3的調(diào)控[20]。為了滿足胎兒骨骼發(fā)育以及分娩時陣縮努責對鈣的大量需求，妊娠期哺乳動物的鈣儲備會增加，接近分娩時體內(nèi)對鈣的需求達到峰值，如果此時骨鈣動員與轉(zhuǎn)化過程發(fā)生延遲或紊亂，極有可能造成低血鈣癥及繼發(fā)性甲狀腺腫的發(fā)生，嚴重時可造成母體死亡。目前已知有2 個關鍵因素可促使妊娠期骨質(zhì)流失速率加快：一是由于妊娠所造成的促性腺激素分泌量減少，引發(fā)性腺機能衰退導致雌激素水平降低；二是甲狀旁腺激素相關蛋白分泌增高，這2 個因素協(xié)同可以增加破骨細胞的活性與數(shù)量，從而加快骨鈣釋放[21]。

2.4 乳腺 乳汁的合成、轉(zhuǎn)運、分泌過程需要大量的免疫球蛋白、乳糖、甘油三酯以及鈣離子和磷離子等[21]。乳汁中鈣含量很高，泌乳期婦女平均每天排出的乳汁中鈣含量高達300～400 mg[21]。因而乳腺上皮細胞內(nèi)存在較為完善的鈣轉(zhuǎn)運機制，以保證向外分泌乳汁的同時還保持細胞內(nèi)鈣水平穩(wěn)定。

研究表明，乳腺上皮細胞中的鈣敏感受體（Calcium-Sensing Receptor，CaSR）在妊娠期與哺乳期小鼠的鈣代謝過程中發(fā)揮著重要作用[22]。CaSR 可以調(diào)節(jié)骨鈣溶解入血，并作為載體將血液中的鈣離子轉(zhuǎn)運到乳汁中，若鈣轉(zhuǎn)運速度過慢，乳腺上皮細胞將會因為積累鈣離子濃度過高而死亡[23-24]。另外，小鼠乳腺組織有通道蛋白TRPV5 和TRPV6 的表達[25]，因此乳腺上皮細胞可能同時通過TRPV5 和TRPV6 從細胞外液中攝入鈣。

3 妊娠期哺乳動物體內(nèi)鈣調(diào)節(jié)因子變化

妊娠期哺乳動物鈣代謝主要通過動物小腸、腎臟、骨骼及乳腺4 個不同組織器官代謝途徑進行保障，在不同組織器官的鈣代謝過程中起作用的則是一些關鍵的鈣調(diào)節(jié)因子（如甲狀旁腺激素、甲狀旁腺激素相關蛋白、1,25-二羥基維生素D3及降鈣素等）。這些調(diào)節(jié)因子共同發(fā)揮作用，維持著妊娠期和哺乳期動物復雜且精細的鈣調(diào)控網(wǎng)絡（圖1）。

3.1 甲狀旁腺激素 甲狀旁腺激素（Parathyroid Hormone，PTH）是由甲狀旁腺主細胞合成和分泌的，具有升高孕期血鈣水平的作用，對于維持體內(nèi)鈣代謝平衡不可或缺。

甲狀旁腺激素可直接作用于骨和腎臟2 個器官，對小腸具有間接調(diào)節(jié)作用。PTH 可以增大骨細胞膜對Ca2+的通透性，使大量Ca2+從骨液之中進入細胞，從而使鈣泵活動增強，將Ca2+轉(zhuǎn)運到血液之中進行循環(huán)使血鈣升高；PTH 也可作用于腎小管，促進腎遠球小管對鈣的重吸收，使血鈣升高，減少尿鈣排出；PTH還可以間接地通過調(diào)節(jié)1,25-二羥基維生素D3促進腸道對鈣的吸收，以維持血鈣的動態(tài)平衡。

體外試驗表明，正常妊娠大鼠的甲狀旁腺體積約為從未受孕過大鼠的2 倍，但甲狀腺體積增大不意味著PTH 釋放量增多。在動物妊娠期間，血清PTH 通常在早期下降到低于正常水平，然后在中期回到正常范圍，懷孕末期稍有升高，一般會高于正常時期含量[24]。同時，妊娠期間PTH 水平受飲食中鈣攝入的影響，以標準飲食為例，隨著鈣含量的增加，PTH 含量會逐漸下降，飼喂1% 鈣日糧的妊娠小鼠體內(nèi)PTH 總量約為非妊娠期的20%；當日糧中鈣濃度提升為2%時，小鼠體內(nèi)PTH 水平顯著降低；在飼喂0.1%鈣濃度日糧時，盡管有PTH 含量的代償性增高，小鼠依舊會出現(xiàn)低血鈣癥與繼發(fā)性甲狀旁腺功能亢進[13]。綜上所述，妊娠期哺乳動物體內(nèi)PTH 濃度主要取決于日糧中鈣的濃度水平，也證實PTH 在妊娠期通過調(diào)控腸道、腎臟對鈣的吸收作用來發(fā)揮維持體內(nèi)鈣平衡的作用。

3.2 甲狀旁腺激素相關蛋白 甲狀旁腺激素相關蛋白（Parathyroid Hormone Related Protein，PTHrP）作為一種引發(fā)惡性高血鈣癥的因子于1987 年被首次發(fā)現(xiàn)，隨后被證實為一種內(nèi)分泌激素，正常狀況下是由各種哺乳動物的乳腺組織合成與分泌[26]。

圖1 哺乳動物妊娠期鈣代謝調(diào)控機制

PTHrP 作為一種內(nèi)分泌激素，被認為是生長發(fā)育的局部調(diào)節(jié)器。PTHrP基因被特異性敲除后會引起嚴重的骨發(fā)育缺陷，同時PTHrP 乳腺特異性敲除小鼠的循環(huán)系統(tǒng)中PTHrP 顯著降低，乳汁中鈣濃度也會隨之下降[26]。PTHrP 與PTH 具有同源結(jié)構(gòu)，能夠激活PTH和PTHrP 的共同受體，與PTH 具有近乎相同的功能，其同源區(qū)域被證明能刺激胎兒胎盤鈣轉(zhuǎn)運[27]。PTHrP 與PTH 的非同源區(qū)域被證明具有抑制骨吸收的作用，由此推測，PTHrP 可能具有防止妊娠期間母體骨骼過度釋放鈣的作用。PTHrP 可以從甲狀旁腺、胎盤、乳腺組織以及子宮等部位進入母體循環(huán)。研究表明，大鼠乳腺組織中PTHrP 的表達隨著催乳素水平的增加而上升，子宮肌層中PTHrP 的表達隨著雌二醇含量的增加而上升[28]。因此，與妊娠相關的高催乳素和雌二醇水平可能促使PTHrP 在以上特定組織中的表達增加。Sebag 等[29]研究表明，妊娠期哺乳動物體內(nèi)雌二醇水平升高能夠促進PTHrP 產(chǎn)生，而雌二醇可以增加體外培養(yǎng)的人子宮肌層細胞的PTHrP mRNA 表達，但它不會刺激乳腺上皮細胞產(chǎn)生PTHrP。山羊試驗研究顯示，PTHrP 在妊娠母羊預產(chǎn)期前1～2 d 內(nèi)顯著升高，且高于未懷孕母羊[30]。Glerean 等[31]研究顯示，人體循環(huán)中的PTHrP 由妊娠前期到中期、后期逐漸升高，懷孕3～13 周時水平達到前3 周的3 倍，分娩前幾天的PTHrP 水平約為正常未妊娠水平的2 倍，由此推測，妊娠期PTHrP 水平升高可能是抵抗血清中鈣水平下降的主要因素之一[32]。

3.3 1,25-二羥基維生素D3（骨化三醇） 維生素D 是一種具有多種生理功能的類固醇激素。天然形式的維生素D 不具有生物活性，其活性形式為1,25-二羥基維生素D3。維生素D 首先在肝臟中經(jīng)25-羥化酶羥基化形成2,5-（OH）D3，然后在腎臟中經(jīng)1α-羥化酶和24 -羥化酶羥基化形成1，25-二羥基維生素D3[33]。

維生素D 可直接作用于小腸和骨。骨化三醇進入小腸黏膜細胞內(nèi)，與胞漿受體結(jié)合后進入細胞核，促進鈣結(jié)合蛋白轉(zhuǎn)錄與合成，參與鈣的轉(zhuǎn)運而促進鈣的吸收；骨化三醇也可以通過維生素D 受體調(diào)控成骨細胞的功能。郭麗娟等[34]研究表明血鈣濃度較高時，骨化三醇可刺激人成骨細胞MT1-MMP基因表達，啟動骨形成；在血鈣濃度降低時，骨化三醇又可以提高破骨細胞的活性，動員骨鈣入血，使血鈣濃度快速升高。由此可見，骨化三醇對鈣濃度具有雙重的調(diào)控作用。同時，骨化三醇還能增強PTH 對骨的作用，在缺乏骨化三醇時，PTH 的作用明顯減弱。

哺乳動物妊娠前期體內(nèi)骨化三醇水平是穩(wěn)定的，盡管有部分經(jīng)胎盤通道運送到胎兒，總的游離骨化三醇水平在懷孕的前期有所增加，在妊娠后期骨化三醇的水平可達到非孕期的3 倍甚至更多[34]。在兔和豚鼠的相關研究中發(fā)現(xiàn)，妊娠期動物調(diào)控骨化三醇表達的CYP27B1基因表達在腎臟中被上調(diào)了2～5 倍[35]。由此可見，妊娠期動物體內(nèi)骨化三醇的增加幾乎完全來自于母親的腎臟，而非胎盤或胎兒。

3.4 降鈣素 降鈣素（Calcitonin，CT）是由甲狀腺的濾泡旁細胞（C 細胞）分泌，位于甲狀腺濾泡的基底膜內(nèi)，源于胚胎期外胚層和神經(jīng)脊的類似腎上腺髓質(zhì)的一種激素[35]。降鈣素可以抑制骨骼脫鈣，有效降低血鈣。

哺乳動物妊娠期間，降鈣素可促使腸道鈣吸收增加，并促使血鈣向母體骨沉積。盡管高水平的骨化三醇可以抑制降鈣素，但降鈣素含量較非哺乳時期還是有所增加，以保護母體骨骼防止骨鈣流失過度。研究證明，妊娠期間大鼠、小鼠、猴子、綿羊和山羊的血清降鈣素水平均有增加[36]。通常情況下甲狀腺C 細胞被認為是降鈣素的唯一合成位點，但在妊娠期間，乳腺和胎盤同樣能夠合成降鈣素。在妊娠初期，血清降鈣素平均含量顯著上升，妊娠后期血清降鈣素的含量上升至妊娠初期的3 倍以上[37]，以起到保護母體骨骼的作用。

4 總結(jié)

綜上所述，妊娠期哺乳動物一方面要維持自身鈣代謝平衡，另一方面需要滿足胎兒骨骼的正常發(fā)育以及分娩過程中的鈣消耗，因此對鈣的需求升高，尤其在妊娠后期需求增加顯著。鈣代謝主要存在于腸道、腎、骨骼以及乳腺組織之中，且都會受到重要調(diào)節(jié)因子（如PTH、PTHrP、骨化三醇、降鈣素等）調(diào)控。哺乳動物體內(nèi)的調(diào)節(jié)因子含量也隨著妊娠期動物的生理特點有所變化，它們彼此之間組成了一個復雜的鈣代謝調(diào)節(jié)網(wǎng)絡，維持著哺乳動物妊娠期間的鈣穩(wěn)態(tài)平衡。