鋅、鐵、鈣缺乏與兒童肥胖研究進(jìn)展

馮佳賓，李 娜

(沈陽市兒童醫(yī)院1.兒內(nèi)科，2.神經(jīng)康復(fù)實驗室，遼寧 沈陽 110031)

隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的加快，肥胖問題呈現(xiàn)出全球流行態(tài)勢。從全球來看，1980年至2013年間兒童超重和肥胖的患病率增加了47%，世界上有21億人超重或肥胖[1]。在瑞典，每10萬名兒童中被診斷出患有肥胖癥的兒童數(shù)量在10年內(nèi)增加了2～3倍[2]。肥胖是21世紀(jì)嚴(yán)重的健康問題和社會問題，為目前公認(rèn)嚴(yán)重危害小兒健康的主要問題之一。肥胖不僅危害兒童生長發(fā)育，還增加成年期患病風(fēng)險，給個人和社會造成嚴(yán)重的社會和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

兒童肥胖原因不僅受生活方式、環(huán)境、遺傳因素的影響，還受體內(nèi)元素失衡的影響。體內(nèi)元素作為生物系統(tǒng)中的一種酶成分，或是細(xì)胞內(nèi)的一種催化劑，可通過影響炎癥及過氧化、免疫系統(tǒng)、胰島素抵抗等途徑引發(fā)兒童肥胖。此外兒童由于遺傳、飲食結(jié)構(gòu)不合理、生長快速等原因更易引起元素的缺失。近年來隨著臨床研究不斷深入，越來越多的研究表明元素缺乏，尤其是鋅、鐵、鈣缺乏，與兒童肥胖發(fā)病風(fēng)險存在相關(guān)性。

1鋅缺乏與兒童肥胖

1.1鋅缺乏與兒童肥胖的關(guān)系

由于鋅的缺乏，細(xì)胞的許多功能，如殺死病原體、降低細(xì)胞毒性、調(diào)控細(xì)胞因子產(chǎn)生、中和活性氧(reactive oxygen species，ROS)和氮物種(nitrogen species，NOS)等均受到了損害。急性相鋅的瞬時變化(即急性感染時血清鋅向組織瞬時轉(zhuǎn)運而引發(fā)的一過性低鋅血癥)是炎癥反應(yīng)的危險信號。缺鋅期間發(fā)生感染的概率及持續(xù)時間明顯增加，而氧化應(yīng)激可導(dǎo)致肥胖及一系列疾病的發(fā)生[3]。

Louren?o等[4]在巴西亞馬遜地區(qū)對1 007名≤10歲的兒童進(jìn)行的一項縱向研究中認(rèn)為低度炎癥性變化可作為預(yù)測兒童體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)增長的證據(jù)。Habib等[5]將72名肥胖兒童、青少年(5～17歲)與40例健康非肥胖者對照，認(rèn)為脂肪細(xì)胞因子和低鋅血癥通過多種機(jī)制共同參與過度的氧化應(yīng)激，與肥胖及其相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生密切相關(guān)。Vivek等[6]根據(jù)疾病預(yù)防控制中心(Centers for Disease Control，CDC)2000年的生長圖表得出，肥胖兒童全血鋅平均值顯著低于非肥胖兒童。Azab等[7]檢測80名肥胖兒童和80名健康非肥胖者血清，認(rèn)為鋅缺乏可能是引發(fā)高血脂的原因。Fan等[8]通過某項橫斷面研究調(diào)查了5 404名6～19歲肥胖兒童，認(rèn)為6～19歲是兒童肥胖或合并癥發(fā)生的重要時期，且鋅與BMI之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。Morales等[9]對西班牙巴倫西亞710名兒童(6～9歲)進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)38.6%的超重兒童體內(nèi)鋅水平較低。以上數(shù)據(jù)均支持低鋅與兒童肥胖密切相關(guān)，提示低鋅可引發(fā)兒童肥胖以及增加一系列并發(fā)癥的發(fā)生率。

1.2鋅缺乏引發(fā)兒童肥胖可能的作用機(jī)制

鋅缺乏時通過多種機(jī)制增強活化B細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄核因子-κ-輕鏈增強子(nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells，NF-κB)的活性。如通過抑制過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptors，PPARs)的表達(dá)以及促進(jìn)環(huán)核苷酸磷酸二酯酶(cyclic nucleotide phosphodiesterase，PDE)水解第二信使環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)和環(huán)鳥嘌呤核苷(cyclic guanosine monophosphate，cGMP)，抑制蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)的激活并下調(diào)鋅指蛋白A20(抗炎蛋白)的表達(dá)，進(jìn)而抑制Toll樣受體(Toll-like receptors，TLRs)信號，最終增強NF-κB的活性[10-11]?；罨腘F-κB轉(zhuǎn)位到核內(nèi)與其相關(guān)的DNA基序結(jié)合以誘導(dǎo)靶基因的轉(zhuǎn)錄，釋放包括多種病原組分的脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白細(xì)胞介素(interleukin，IL)、ROS、NOS等炎癥細(xì)胞因子，進(jìn)而促進(jìn)炎癥反應(yīng)、增加氧化應(yīng)激和胰島素抵抗[12]。同時低鋅無法與蛋白激酶C(protein kinases-C，PKC)α亞單位C1結(jié)構(gòu)域匹配，不能形成四個Cy3She結(jié)合基序，進(jìn)而不能完成初始翻譯[3]。阻礙蛋白激酶介導(dǎo)的底物絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)的磷酸化[13]，促進(jìn)PDE及磷酸酶(如酪氨酸磷酸酶)的去磷酸化，抑制煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酶(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)，進(jìn)而阻礙中性粒細(xì)胞胞外陷阱的形成及抗微生物活動等[10]。此外鋅缺乏影響谷氨酸脫羧酶(glutamic acid decarboxylase，GAD)和胰島素瘤相關(guān)蛋白2(insulinoma-associated protein 2，IA-2)的表達(dá)，激活氧化應(yīng)激的同時增高糖尿病、酮癥酸中毒的發(fā)生率[14]。還可抑制葡萄糖釋放必須依賴的轉(zhuǎn)運蛋白-4(glucose transporter-4，GLUT4)的敏感性，使餐后血糖水平急性升高[15]。

另外已有多項研究認(rèn)為，幾乎所有免疫細(xì)胞的功能發(fā)揮都高度依賴鋅。鋅缺乏時誘導(dǎo)鈣保護(hù)蛋白(S100家族)的表達(dá)，致單核巨噬細(xì)胞優(yōu)先成熟進(jìn)而抑制細(xì)胞抗炎因子的產(chǎn)生和抗微生物活動，使細(xì)胞無法完成解毒、降低濃度、釋放及清除ROS及NO等[11]。低鋅可降低靶細(xì)胞對主要組織相容性復(fù)合體I類(major histocompatibility complex I，MHC-I)的識別和裂解活性而減弱NK細(xì)胞功能，并阻礙CD341祖細(xì)胞向NK細(xì)胞分化而降低其殺傷活性和穿孔素濃度[3]。低鋅還可降低MHC-II活性而減弱樹突狀細(xì)胞攝取、降解抗原，抑制STAT信號通路的磷酸化，減弱B細(xì)胞分化產(chǎn)生抗體的能力[3]，使隨后的CD4+、CD8+下降，增加氧化應(yīng)激風(fēng)險[11]。低鋅還可直接活化或間接促進(jìn)氧自由基和其他毒素活化caspase信號通路，進(jìn)而抑制骨髓早期B細(xì)胞活性并促進(jìn)某些促炎細(xì)胞因子的分泌[10]。另外，低鋅可使巨噬細(xì)胞刺激1型T輔助(Th1)/巨噬細(xì)胞刺激2型T輔助(Th2)細(xì)胞比例失調(diào)，激活過強的固有免疫系統(tǒng)[3,14]。低鋅還可通過抑制干擾素調(diào)節(jié)因子-1(interferon regulatory factor-1，IRF-1)的活性，減少叉頭框P3因子(forkhead box P3，F(xiàn)OXP3)的表達(dá)，不利于免疫調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的發(fā)育，進(jìn)而不能分泌大量的抗炎細(xì)胞因子[11]。此外鋅作為第二信使，在正確的RNA轉(zhuǎn)錄、DNA合成、細(xì)胞存活及凋亡方面是必不可少的。低鋅可通過抑制有絲分裂G1中晚期、S期、G2期和M期相關(guān)基因的表達(dá)，影響T、B細(xì)胞的增殖、存活。通過促進(jìn)鈣依賴性核酸內(nèi)切酶的活性，使DNA片段化程度增加[3]，并且因不能正常調(diào)節(jié)基因啟動子的堿基序列(GATA和KLF)而抑制LPS及佛波酯(phorbol myristate acetate，PMA)，進(jìn)而影響與代謝相關(guān)基因的表達(dá)，產(chǎn)生肥胖[11]。例如，ZnT7突變誘導(dǎo)胰島素抵抗；ZnT8基因缺陷(ZnT8陽性)損傷β細(xì)胞，使自身抗原對免疫系統(tǒng)具有高度敏感[14]。長期低鋅使鋅鐵轉(zhuǎn)運蛋白ZIP基因家族異常缺失，如ZIP13基因缺陷影響全身骨骼生長異常、降低C/EBP-β(如PPARγ和CCAAT/增強子結(jié)合蛋白)的活性而促使脂肪細(xì)胞褐變，降低骨骼肌和棕色脂肪組織的能量消耗，易引發(fā)肥胖[16]；ZIP14基因缺陷使全身骨代謝、糖異生功能受損，胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)減少，脂肪細(xì)胞肥大，脂肪細(xì)胞因子和血漿瘦素水平升高[14]。

2鐵缺乏與兒童肥胖

2.1鐵缺乏與兒童肥胖的關(guān)系

鐵穩(wěn)態(tài)是氧化應(yīng)激動態(tài)平衡的基礎(chǔ)。鐵缺乏產(chǎn)生活性氧等加劇氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)，并啟動對細(xì)胞存活和死亡至關(guān)重要的信號通路，易引發(fā)兒童肥胖。

2.2鐵缺乏引發(fā)兒童肥胖可能的作用機(jī)制

Hepcidin是機(jī)體最主要的鐵傳感器，鐵缺乏抑制Hepcidin的表達(dá)，導(dǎo)致自由基生成和氧化應(yīng)激增加。炎癥細(xì)胞因子及脂肪組織激活JAK/STAT3途徑誘導(dǎo)Hepcidin的表達(dá)，限制鐵向致病微生物供應(yīng)的同時也導(dǎo)致了慢性炎癥性疾病的低鐵血癥[22]。同時Hepcidin通過與鐵蛋白，如鐵泵蛋白(ferroportin1，F(xiàn)PN1)結(jié)合，誘導(dǎo)Hepcidin在溶酶體中的內(nèi)化和降解，進(jìn)而控制腸細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和肝細(xì)胞內(nèi)的鐵循環(huán)，還可抑制從飲食中吸收鐵和從循環(huán)巨噬細(xì)胞及其他機(jī)體儲存中釋放鐵，導(dǎo)致循環(huán)鐵水平下降，加重惡性循環(huán)[22-23]。血紅素加氧酶(包括吲哚胺及色氨酸2，3-雙加氧酶在內(nèi)的一類酶)可分解代謝血紅素[23]，產(chǎn)生CO、NO等二價氣體分子跨生物膜傳輸電子，促進(jìn)LPS刺激IL-10分泌，誘導(dǎo)血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)的表達(dá)[24-25]。HO-1通過Keap1途徑結(jié)合、調(diào)節(jié)各種血紅素基團(tuán)中的鐵[24]。Keap1途徑的激活會抑制轉(zhuǎn)錄因子E2相關(guān)因子-2(nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2)的表達(dá)[23]。Nrf2參與血紅素-鐵代謝的基因轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而抑制血紅素-鐵分解代謝調(diào)節(jié)，造成NOS、COS、H2O2等積累，并激活巨噬細(xì)胞中芳烴受體的轉(zhuǎn)錄因子和M1型Th1適應(yīng)性反應(yīng)，影響宿主的免疫應(yīng)答，引發(fā)相關(guān)的氧化應(yīng)激。此外當(dāng)鐵血紅素被氧化時，胱硫醚β合成酶(cystathionine β-synthase，CBS)酶是完全活躍的，在轉(zhuǎn)錄水平上通過TLR-4信號介導(dǎo)的NF-κB活化、轉(zhuǎn)錄因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子家族(signal transducer and activator of transcription，STAT)，激活干擾素-γ(interferon-gamma，IFN-γ)受體下游，誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞表達(dá)誘導(dǎo)型NOS[24-25]。

此外，缺鐵缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factor，HIF)在低鐵低氧條件下，可調(diào)節(jié)α亞基(HIF-α)與廣泛表達(dá)的鐵伴侶蛋白-PCBP家族蛋白中β亞單位形成復(fù)合物，影響細(xì)胞核調(diào)控肥胖相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄[25]。其中HIF-α異構(gòu)體的激活還可觸發(fā)有氧糖酵解而調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的功能。鐵缺乏還可通過促進(jìn)NF-κB p65核轉(zhuǎn)位，增加NOS、IL-1β、IL-6、12和TNF-α的表達(dá)，從而促進(jìn)內(nèi)毒素誘導(dǎo)的促炎反應(yīng)[24]。而炎癥反應(yīng)可產(chǎn)生如脂質(zhì)運載蛋白-2(lipocalin-2，LCN2)的蛋白質(zhì)，通過螯合鐵、限制致病菌對鐵的利用，在先天免疫中發(fā)揮作用，還可下調(diào)鐵蛋白，引發(fā)肥胖[22]。

3鈣缺乏與兒童肥胖

3.1鈣缺乏與兒童肥胖的關(guān)系

肥胖者體內(nèi)脂肪細(xì)胞中鈣蓄積，增加脂肪酸合成酶活性，降低解偶聯(lián)蛋白表達(dá)，致使脂質(zhì)合成增加，產(chǎn)熱減少，進(jìn)而直接增加體脂。血清鈣的減少通過影響糖代謝間接促發(fā)兒童肥胖。

Nappo等[26]在一個大的歐洲兒童和青少年隊列中通過評估膳食總鈣和人體體質(zhì)指數(shù)之間的關(guān)系，認(rèn)為在基線水平上，總鈣攝入量與BMI呈反比關(guān)系。Suhett等[27]通過對巴西某市區(qū)內(nèi)350例8～9歲兒童調(diào)查，認(rèn)為低鈣攝入與兒童腹部過度肥胖有關(guān)，監(jiān)測足夠的鈣攝入量至關(guān)重要。Fayet-Moore等[28]對2007年澳大利亞全國兒童營養(yǎng)和身體活動調(diào)查(2～16歲，n=4 487)的兩個24小時回憶數(shù)據(jù)進(jìn)行了二次分析，發(fā)現(xiàn)鈣攝入量高的人，總脂肪攝入量顯著降低，超重發(fā)生率也降低。Li等[29]系統(tǒng)檢索了四個數(shù)據(jù)庫中1994—2016年發(fā)表的鈣與體重變化的相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)兒童、青少年超重或肥胖者鈣補充量與體重變化呈負(fù)相關(guān)。Koziol-Kozakowska等[30]觀察到在105名7～15歲的兒童中，肥胖兒童鈣的攝入量較低，提出對肥胖兒童的飲食治療應(yīng)該集中在高營養(yǎng)密度的食品上。Tong等[31]連續(xù)16周用含45%脂肪熱量的高脂飼料喂養(yǎng)小鼠后觀察到，在飲食誘導(dǎo)的肥胖癥的細(xì)胞代償反應(yīng)中，血清鈣的缺乏起著關(guān)鍵性作用。以上數(shù)據(jù)均支持低鈣與兒童肥胖密切相關(guān)，認(rèn)為肥胖兒童應(yīng)早期補充相應(yīng)鈣劑。

3.2鈣缺乏引發(fā)兒童肥胖可能的作用機(jī)制

Ca2+水平或亞細(xì)胞Ca2+信號通路的改變介導(dǎo)脂肪細(xì)胞中多個非選擇性陽離子通道家族-瞬態(tài)受體電位(transient receptor potential，TRP)通道，調(diào)控包括白色脂肪組織的分化、成熟和棕色脂肪組織的熱生成，調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、分化及基因調(diào)控。如trpc6介導(dǎo)肌動蛋白細(xì)胞骨架重組(pak，rac1和cofilin)相關(guān)蛋白質(zhì)的磷酸化、胰島素信號蛋白(如Akt，又稱 PKB，protein kinase B，是一種絲氨酸/蘇氨酸特異性蛋白激酶)的表達(dá)[32]，參與葡萄糖運輸?shù)囊葝u素調(diào)節(jié)，在肥胖中扮演著重要的角色。Ca2+通過影響細(xì)胞膜及細(xì)胞器上TRP，引發(fā)一系列變化，如Ca2+激活鈣調(diào)素蛋白激酶(calcium-calmodulin-dependent protein kinases，CaMK)直接磷酸化并激活許多重要反應(yīng)，包括促炎信號分子JNK和p38，激活蛋白激酶及轉(zhuǎn)錄等，推動包括過氧化物酶體增殖蛋白激活受體γ、pgc+1α等在內(nèi)的炎癥基因表達(dá)，促進(jìn)脂肪細(xì)胞的氧化代謝和呼吸[33]。脂聯(lián)素對抗高脂肪肥胖及空腹血糖升高，脂肪細(xì)胞內(nèi)Ca2+抑制脂聯(lián)素的生成，鈣感受器誘導(dǎo)自噬體的形成及TNF-α、IL-6、IL-1β、趨化因子(如C-C motif chemokine ligand 2，CCL2)等促炎因子的產(chǎn)生[34]，調(diào)節(jié)L-色氨酸(L-tryptophan，L-trp)介導(dǎo)的葡聚糖類肽分泌等致炎癥和脂肪功能障礙[35]。抵抗素為一種富含半胱氨酸的激素，可導(dǎo)致胰島素抵抗和脂質(zhì)代謝失調(diào)，Ca2+減少時通過活化Nfatc機(jī)制增加抵抗素的表達(dá)，并增強抵抗素信號通路下游靶點AMP依賴的蛋白激酶[adenosine 5′-monophosphate(AMP)-dependent protein kinase，AMPK]的活性[36]。線粒體內(nèi)Ca2+吸收或氧化磷酸化呼吸鏈，將線粒體能量轉(zhuǎn)化為熱量，引發(fā)肥胖和胰島素抵抗[35-36]。

綜上所述，元素鋅、鐵、鈣缺乏與兒童肥胖密切相關(guān)，本文從肥胖方面論述了元素鋅、鐵、鈣缺乏與兒童肥胖的最新研究進(jìn)展。多項研究表明，平衡元素對于維持機(jī)體正常的氧化應(yīng)激、免疫、基因等多個方面的穩(wěn)定至關(guān)重要。因此兒童體內(nèi)元素應(yīng)被視為潛在的臨床治療及臨床健康狀況的評估指標(biāo)，在對兒童肥胖的早期預(yù)防及診治、避免成人期患肥胖及相關(guān)疾病的風(fēng)險、提高兒童及成人生活質(zhì)量等方面都是具有極大意義的。