微量元素對妊娠和胚胎發(fā)育的影響

吳望舒，朱欣燁，蔣晨依，施磊，余承瑄，王治潔，劉悅，丁之德

微量元素（trace element）是指一類生物體需求量相對較少，但對機體維持正常生理功能至關(guān)重要的礦物質(zhì)。微量元素在人體內(nèi)的含量不超過體質(zhì)量的0.01%，每日需求量不足100 mg[1]，但其通過參與酶的構(gòu)成、調(diào)節(jié)酶的活性等方式發(fā)揮重要作用[2]。人體必需微量元素按照推薦攝入量（recommended daily intake，RDI）從高到低排序包括：鐵（Fe）、鋅（Zn）、銅（Cu）、碘（I）、鉻（Cr）、鉬（Mo）、硒（Se）、鈷（Co）等[1]。妊娠所必需的微量元素包括鐵、鋅、錳（Mn）、銅、硒等[3]，這些微量元素對于維持妊娠和胚胎的正常發(fā)育十分重要，若孕期缺乏或過剩均可增加妊娠期糖尿?。╣estational diabetes mellitus，GDM）、子癇前期（pre-eclampsia，PE）、胎兒生長受限（fetal growth restriction，F(xiàn)GR）、早產(chǎn)（pretermbirth）等妊娠并發(fā)癥的發(fā)病風(fēng)險，導(dǎo)致不良妊娠結(jié)局[4]。另外，微量元素的缺乏或過剩還會影響胚胎的正常發(fā)育，造成胎兒神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼等發(fā)育異常，甚至增加新生兒遠(yuǎn)期患病風(fēng)險。

1 鐵

鐵是人體必需的微量元素之一，成人含鐵約3～4 g[5]。鐵參與人體內(nèi)許多生理過程[6]，其可以維持某些酶的活性，如細(xì)胞色素 C（cytochrome C，cyt C）、核糖核酸還原酶（ribonucleotide reductase，RNR）、琥珀酸脫氫酶（succinate dehydrogenase，SDH）等。這些酶與人體氧化代謝、細(xì)胞呼吸、神經(jīng)遞質(zhì)的分解與合成等密切相關(guān)，同時鐵還參與機體免疫等。此外，鐵也是血紅蛋白、肌紅蛋白、血紅素酶類（heme enzymes）等的重要組分。

鐵元素的缺乏常常會導(dǎo)致紅細(xì)胞生成受損，引起缺鐵性貧血（iron-deficiency anemia，IDA）。由于腸上皮細(xì)胞和皮膚細(xì)胞脫落等情況，正常男性及非妊娠期女性在生理狀況下每天會損失1～2 mg鐵[7]。但在病理性缺鐵時，由于紅細(xì)胞合成減少，其向機體組織輸送氧氣變少且相關(guān)酶活性降低，機體可出現(xiàn)疲勞、注意力不集中、工作效率低下等非特異性癥狀[8]，還常見脫發(fā)現(xiàn)象[9]。

據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）估計，全世界40%以上的孕婦患有貧血，其中超過50%由鐵缺乏引起。妊娠期IDA可導(dǎo)致孕產(chǎn)婦感染和圍生期失血的風(fēng)險升高，并可增加新生兒早產(chǎn)、低出生體質(zhì)量（low birth weight，LBW）的風(fēng)險，甚至導(dǎo)致孕產(chǎn)婦或新生兒死亡[5]。

妊娠期間，母體對鐵元素的需求量處于非恒定狀態(tài)。孕產(chǎn)婦攝取的鐵主要用來合成血紅蛋白，而血紅蛋白的額外合成與妊娠期氧轉(zhuǎn)運的需求量增加成正比，這是妊娠期發(fā)生的適應(yīng)性生理反應(yīng)。WHO指出，胎兒在妊娠晚期快速發(fā)育，在該時期鐵的需求量超過妊娠期總鐵需求量的80%。在胚胎發(fā)育過程中，鐵在各器官特別是大腦的發(fā)育中發(fā)揮重要作用。大腦的不同區(qū)域在不同時期發(fā)育速度不同，如紋狀體和海馬髓鞘在妊娠晚期快速形成和發(fā)展。缺乏鐵元素的嬰兒可能會出現(xiàn)多種癥狀，如海馬功能受損、髓鞘形成減少、性情改變和多巴胺代謝變化[10]。一項納入17 705例孕婦的隨機對照試驗發(fā)現(xiàn)，孕婦服用含鐵補充劑可以明顯改善新生兒體質(zhì)量，其效果取決于母體基礎(chǔ)血紅蛋白水平，且對20孕周前血紅蛋白水平較高（＞145 g/L）的女性效果顯著[11]。因此，WHO建議非貧血孕婦每日需攝入鐵100 mg，而對于貧血孕婦更要適當(dāng)提高補鐵劑量。

2 鋅

鋅參與基因表達(dá)、細(xì)胞生長分裂以及細(xì)胞膜穩(wěn)定性的維持，影響人體多種生理功能的正常運行[2,12]。大約2 800種蛋白序列含有潛在的鋅結(jié)合域（potential zinc binding site），占已報道人類蛋白質(zhì)組的10%，包括金屬蛋白酶、轉(zhuǎn)移酶、磷酸酶和氧化還原酶等[13]。鋅是超過200種酶的輔助因子，參與介導(dǎo)神經(jīng)傳導(dǎo)[14]，抑制骨質(zhì)疏松有關(guān)的骨損失[15]，維持機體生殖系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的正常運作[2]及各器官的抗氧化狀態(tài)[16]。然而，鋅的過量攝取具有抑制銅吸收的不良反應(yīng)。

全球大約82%的孕婦患有鋅缺乏，鋅缺乏也是發(fā)展中國家最常見的微量元素缺乏癥[12]。血清鋅是目前用于評估鋅缺乏的主要檢測指標(biāo)，孕婦的血清鋅濃度約為 0.66～1.10 μg/mL[4]，其濃度變化與各類妊娠并發(fā)癥有關(guān)。el-Yazigi等[17]的病例對照研究（n=335）發(fā)現(xiàn)，GDM孕婦的血清鋅濃度顯著降低，而尿鋅濃度顯著升高，推測鋅在尿液中過多排出與GDM有關(guān)。Keshavarz等[18]的病例對照研究（n=200）發(fā)現(xiàn)，鋅缺乏伴隨血漿中超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性增加和三酰甘油濃度升高，提示鋅缺乏可導(dǎo)致機體對脂質(zhì)過氧化抑制的喪失，氧化應(yīng)激水平增高，進(jìn)而增加PE的發(fā)病風(fēng)險。另外，有研究指出補充鋅能改善鋅缺乏導(dǎo)致的腹瀉，但是鋅攝入過量和不足均會促進(jìn)腸道上皮細(xì)胞凋亡，并影響緊密連接蛋白的修飾，損害小腸上皮的屏障功能，加重孕婦胃腸道壓力[19]。

孕產(chǎn)婦鋅缺乏將導(dǎo)致胎盤鋅運輸下降，進(jìn)而減少胎兒的鋅供給，引起FGR，導(dǎo)致小于胎齡兒（small for gestational age，SGA）和 LBW[12，20]。Wang 等[20]的出生隊列研究（n=3 178）發(fā)現(xiàn)，低鋅水平嬰兒患LBW和SGA的風(fēng)險分別是正常鋅水平嬰兒的3.14倍和1.93倍。該研究還發(fā)現(xiàn)，SGA發(fā)病與胎盤感染有關(guān)，而鋅作為抗氧化劑，其缺乏將進(jìn)一步增加發(fā)病風(fēng)險。另外，鋅缺乏還可導(dǎo)致胚胎神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育受損，引起嬰幼兒神經(jīng)元萎縮、行為障礙和認(rèn)知發(fā)育受損[21]。

然而，WHO不建議孕婦在臨床研究外另攝入鋅補充劑。WHO在2018年發(fā)表的一項綜述性研究表明，沒有強有力的證據(jù)證明鋅補充劑能改善母體感染、PE、味嗅覺失靈等妊娠并發(fā)癥和SGA的發(fā)病風(fēng)險[22]。鋅補充劑對上述妊娠結(jié)局和并發(fā)癥的防范效果不佳，其原因可能是鋅在母體和胎兒間存在雙向補充機制[19]。

3 錳

錳是哺乳動物體內(nèi)含量最高的金屬元素之一，參與骨骼生長、神經(jīng)功能、免疫調(diào)節(jié)、營養(yǎng)物質(zhì)代謝、生殖和抗氧化等多個生理過程。錳主要通過調(diào)節(jié)各種錳依賴性酶的活性發(fā)揮其功能，包括氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶、裂解酶、異構(gòu)酶和連接酶。同時，錳也是精氨酸酶、谷氨酰胺合成酶、Mn-SOD等金屬酶的必要成分。由于錳在胎兒大腦發(fā)育和骨骼生長方面具有重要作用，因此孕婦妊娠期間錳的需求量迅速增加。研究顯示，10～34孕周母體血錳水平顯著升高[4]，與需求量的增加一致。錳主要通過主動轉(zhuǎn)運穿過胎盤，這也在一定程度上反映了胎兒的營養(yǎng)需求。

由于錳的來源廣泛，因此，相比于其他微量元素，錳元素不易缺乏。然而，大量研究表明，產(chǎn)前錳暴露會影響胎兒的神經(jīng)發(fā)育。國內(nèi)一項母嬰臨床研究（n=933）測定了臍帶血錳水平并調(diào)查其和出生3 d新生兒行為神經(jīng)學(xué)評定（neonatal behavioral neurological assessment，NBNA）結(jié)果的相關(guān)性，結(jié)果顯示臍帶血清錳濃度大于5.0 μg/L時會對新生兒的行為、主動肌張力和一般評估產(chǎn)生負(fù)面影響[23]。Chung等[24]對韓國嬰兒的出生隊列研究（n=232）表明，嬰兒6個月時的智力發(fā)展指數(shù)（mental developmentindex，MDI）和運動發(fā)展指數(shù)（psychomotor development index，PDI） 均與分娩前母體血錳水平呈倒“U”形關(guān)聯(lián)。當(dāng)母體血錳濃度達(dá)到24～28 μg/L時，隨著錳濃度的繼續(xù)升高，嬰兒MDI和PDI開始下降。母體錳暴露損傷胚胎神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的可能機制包括：①通過高度甲基化Mid1、Atp1a3和Nr2f1等基因，抑制齒狀回未成熟顆粒細(xì)胞向成熟顆粒細(xì)胞的分化，并導(dǎo)致其凋亡和神經(jīng)元錯移[25]；②降低海馬和腦皮質(zhì)神經(jīng)元腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）的表達(dá)，后者在調(diào)節(jié)突觸傳導(dǎo)和突觸可塑性方面具有重要作用[26]。此外，錳還可以通過氧化應(yīng)激、影響線粒體產(chǎn)能、促進(jìn)炎癥反應(yīng)、改變多巴胺及谷氨酰胺代謝等機制產(chǎn)生神經(jīng)毒性，這些機制可能共同參與母體錳暴露損害子代神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的過程。

另外，產(chǎn)前錳暴露還與胎兒出生時的體型相關(guān)。中國武漢一項縱向隊列研究（n=3 022）顯示，母體高尿錳水平（尤其是在妊娠中期和晚期）與胎兒出生體質(zhì)量、出生身體長度及出生體質(zhì)量指數(shù)（ponderal index，PI）的降低相關(guān)，其原因可能為高錳水平可導(dǎo)致胎兒成骨異常，并引起氧化應(yīng)激損傷細(xì)胞功能、阻礙其正常生長[27]。

美國國家科學(xué)院食品和營養(yǎng)委員會（the Food and Nutrition Board，F(xiàn)NB）制定的膳食推薦攝入量（recommended dietary allowance，RDA）中未包括錳。根據(jù)美國國家醫(yī)學(xué)圖書館Medline Plus的建議，孕婦（14～50歲）錳的適宜攝入量（adequate intake，AI）為2 mg/d，可耐受最高攝入量（tolerable upper intake level，UL）為 9 mg/d（14～18 歲）或 11 mg/d（19 歲及以上）。

4 銅

WHO指出，孕婦銅的AI為1.3 mg/d，UL為8～10 mg/d。銅是許多重要蛋白質(zhì)的輔酶，包括Cu/Zn-SOD、細(xì)胞色素氧化酶、賴氨酰氧化酶、銅藍(lán)蛋白等[2]，并參與了體內(nèi)抗氧化、膠原蛋白交聯(lián)等過程。隨著妊娠的進(jìn)展，孕婦血清銅濃度顯著升高[28]，而產(chǎn)后會逐漸降低，提示妊娠中銅可能參與一些重要過程。

近年來有研究指出，孕婦血清銅濃度過低與多種不良妊娠結(jié)局有關(guān)。印度一項病例對照研究（n=277）顯示，孕婦血清銅濃度和銅/鋅濃度比與孕婦自然流產(chǎn)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)[29]。研究還指出，相比于銅或鋅單個元素的濃度，銅/鋅濃度比對妊娠健康的臨床意義更加重要，提示微量元素之間可能存在一定的相關(guān)性。國內(nèi)一項探究孕婦血清微量元素含量與不良妊娠結(jié)局相關(guān)性的前瞻性隊列研究（n=1 568）發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GR的孕婦血清銅濃度顯著低于胎兒正常的孕婦，其原因可能為細(xì)胞色素合成與骨骼膠原蛋白交聯(lián)受到抑制，導(dǎo)致胎兒骨骼發(fā)育受阻[28]。塞爾維亞一項病例對照研究（n=2 170）發(fā)現(xiàn)，習(xí)慣性流產(chǎn)、胎膜早破（premature rupture of membranes，PROM）和稽留流產(chǎn)孕婦血清銅濃度均低于正常孕婦[30]。推測PROM的原因之一可能是銅缺乏導(dǎo)致膠原蛋白交聯(lián)受到抑制，最終使得羊膜變薄且脆弱。然而伊朗一項三盲的隨機對照試驗（n=238）中，研究人員通過對孕婦額外補充銅元素并評估PROM及其他妊娠結(jié)局發(fā)生率的改變，結(jié)果顯示補充銅元素組與安慰劑組PROM發(fā)生率差異并無統(tǒng)計學(xué)意義。提示雖然銅在維持羊膜彈性與韌性中可能具有重要作用，但補充銅元素并不能有效預(yù)防PROM的發(fā)生[31]。

同時，也有研究指出孕婦血漿或血清中銅水平過高可能存在諸多不良影響，尤其是在妊娠早期。澳大利亞一項隊列研究（n=1 605）檢測14～16孕周孕婦血清銅濃度發(fā)現(xiàn)，發(fā)生妊娠并發(fā)癥的孕婦血清銅濃度顯著高于未發(fā)生妊娠并發(fā)癥的孕婦[32]。同樣，中國一項病例對照研究（n=528）也得出了類似結(jié)論：妊娠早期孕婦高血清銅濃度會增加自發(fā)性早產(chǎn)（spontaneous preterm birth，SPB）的風(fēng)險[33]。這可能是由于孕婦血液中銅濃度升高導(dǎo)致胎盤氧化應(yīng)激水平提高，使得胎盤無法在妊娠早期完全發(fā)育，從而引發(fā)各種妊娠并發(fā)癥[32]。此外，妊娠期間血清銅過量還被認(rèn)為是心血管疾病的潛在危險因子，并可能影響胎兒認(rèn)知功能[4]。因此，雖然銅對妊娠健康至關(guān)重要，但不建議孕婦額外補充銅[4]。

5 硒

硒主要以硒代半胱氨酸的形式參與構(gòu)成硒蛋白，扮演抗氧化、免疫調(diào)節(jié)和調(diào)控甲狀腺激素合成代謝等重要角色。由于孕婦氧的攝入量和消耗量增加，妊娠期間體內(nèi)氧化應(yīng)激水平增高[34]，因此妊娠期適量補硒有益。孕婦膳食硒的RDA為65 μg/d，UL為400 μg/d。

妊娠期間母體血清硒水平逐漸降低，在妊娠晚期達(dá)到最低[35]，可能是胚胎發(fā)育對硒的需求量增高以及妊娠晚期孕婦血容量上升造成的。據(jù)統(tǒng)計，臍帶血硒水平約為母體血清水平的50%～55%，初乳硒水平約為母體血清水平的35%[35]，而造成母體-胎兒硒濃度梯度的具體機制目前尚不清楚。

硒缺乏與PE和GDM的發(fā)病風(fēng)險增加有關(guān)。孟加拉國一項病例對照研究（n=192）發(fā)現(xiàn)，PE孕婦血清硒水平顯著低于健康孕婦，且重度PE患者硒水平降低更為顯著[36]。其可能原因是血清硒水平降低導(dǎo)致硒蛋白（包括谷胱甘肽過氧化物酶）功能異常，從而使母體抗氧化損傷和抗炎作用減弱，最終致使對胎盤血管內(nèi)皮的保護功能不足等。英國一項隨機對照試驗（n=230）表明，初產(chǎn)婦每日補硒60 μg可降低PE的發(fā)病風(fēng)險[37]。另有一項Meta分析（n=569）的結(jié)果顯示，GDM孕婦的血清硒水平顯著低于糖耐量正常的孕婦[38]，可能是因為硒缺乏與胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、炎癥和脂質(zhì)代謝相關(guān)的基因表達(dá)水平改變有關(guān)。此外，有研究發(fā)現(xiàn)妊娠期間硒缺乏還與許多不良妊娠結(jié)局，包括復(fù)發(fā)性流產(chǎn)、早產(chǎn)、FGR等相關(guān)[4]。

另外，硒水平與臍帶血脂質(zhì)水平密切關(guān)聯(lián)，其升高可增加新生兒遠(yuǎn)期心血管疾病的患病風(fēng)險。伊朗一項研究（n=166）發(fā)現(xiàn)，持續(xù)6個月每日補硒100 μg的孕婦，母體血清硒水平及其新生兒臍帶血三酰甘油水平均顯著高于未補硒者，而臍帶血硒、低密度脂蛋白膽固醇（LDL-c）、高密度脂蛋白膽固醇（HDL-c）水平卻無顯著差異[34]。許多研究發(fā)現(xiàn)，臍帶血硒水平與三酰甘油、總膽固醇水平呈正相關(guān)[34]。然而，Wells等[39]研究發(fā)現(xiàn)，這種臍帶血硒水平與三酰甘油、總膽固醇水平呈正相關(guān)的趨勢在將臍帶血銅水平作為混雜因素校正后便失去了統(tǒng)計學(xué)意義，這同樣反映出微量元素之間可能存在一定的相關(guān)性。

此外，有研究報道增加硒攝入（如食用大量巴西堅果）可降低孕婦甲狀腺功能亢進(jìn)和淋巴細(xì)胞性甲狀腺炎的風(fēng)險，但對胚胎發(fā)育的影響尚不清楚。孕婦硒攝入量還與新生兒兩項中心性肥胖指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)：肩胛下/肱三頭肌皮褶比值與妊娠早期硒攝入量呈負(fù)相關(guān)；腹圍/身高比值與妊娠晚期硒攝入量呈負(fù)相關(guān)，而新生兒體質(zhì)量和孕婦硒攝入量無明顯關(guān)聯(lián)[40]。

6 結(jié)語

微量元素與健康妊娠和胚胎發(fā)育密切相關(guān)，適當(dāng)補充并防止“過補”對優(yōu)化孕婦營養(yǎng)、促進(jìn)健康狀態(tài)至關(guān)重要。然而，目前相關(guān)流行病學(xué)研究以病例對照研究為主，而隊列研究和臨床試驗較少，因此未有更多強有力的數(shù)據(jù)來證實微量元素和妊娠結(jié)局的因果關(guān)系，并且微量元素缺乏所產(chǎn)生的各種影響的具體機制同樣也需要更深入的研究。另外，目前的研究僅限于精選的部分微量元素，且大部分研究只做到單一元素作為變量控制，既不能兼顧到其他可能對妊娠結(jié)局有重要影響的微量元素，又沒有綜合考慮各種微量元素含量之間的聯(lián)動關(guān)系，因此，在研究設(shè)計上需要更進(jìn)一步的提升。隨著現(xiàn)代生命科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，元素代謝組學(xué)方法為臨床研究提供了新的思路，如該技術(shù)可建立微量元素的標(biāo)簽或指紋，從而為妊娠并發(fā)癥發(fā)病風(fēng)險的預(yù)測與評估提供重要的生物學(xué)標(biāo)志物，同時也可為孕產(chǎn)婦和胎兒的健康提供更多的安全保障[4]。