幼龄动物铁吸收及其调控

孙效名 吴 信* 印遇龙 舒绪刚

(1.中国科学院亚热带农业生态研究所，湖南省畜禽健康养殖工程技术中心，中国科学院亚热带农业生态过程重点实验室，长沙 410125;2.广州九益生物技术有限公司，广州 510800)

铁是机体含量最多的必需微量元素，被广泛用于机体许多重要的生命代谢过程，比如氧转运、能量生成、DNA合成，具有广泛的生理学和病理学作用［1］，特别是在出生后快速生长发育阶段尤为重要［2-3］。铁缺乏可造成贫血、智障等多种疾病，而铁过量则可促发产生大量的自由基，引起神经退行性病变等疾病［4］。数十年来，许多的营养学家及生理、生化学家对铁进行了深入研究，随着铁吸收代谢及其调控相关蛋白的发现，人们对成年动物维持体内铁平衡的机制有了更清楚地了解，然而对于哺乳期幼龄动物的铁吸收调控机制不十分清楚，哺乳期间的幼龄动物并没有专门的铁排泄器官，因此体内的铁含量是由近端小肠的铁吸收量决定的［1，5］。对于幼龄动物来说，既要提供足够的铁满足其快速生长和神经系统发育的需要，同时还要避免铁过多带来的中毒问题，因此，精确地补充铁具有十分重要的实践意义。本文就幼龄动物铁的吸收及其调控特点做一综述。

1 幼龄动物铁的营养

幼龄动物缺铁会引起贫血、含铁酶功能下降、脑神经系统异常、机体防御能力下降、体重增长迟缓、骨骼发育异常等疾病，这在仔猪上表现的尤为明显。新生仔猪体内的铁储存量极少，仅为54 mg;而母乳中含铁量约为1.3 mg/L，每日仅能为每头仔猪提供约1 mg铁。新生仔猪生长速度快，6周龄时体重为出生重的7～8倍，较其他动物大得多［6］，因此对铁的需要量较大。哺乳仔猪只有保证每日得到7～16 mg铁，才能维持适宜的血红蛋白(Hb)和铁储存量［7-9］。如果初生仔猪不补充铁，在出生后3～4 d会很快将体内的铁耗尽，而出现贫血症状。因此，缺铁性贫血是仔猪一种常见疾病，通常新生仔猪均需人工补铁，生产上常用肌肉注射右旋糖苷铁(FeDex)的方式来改善仔猪缺铁状况。

2 铁在动物体内的吸收调控

2.1 铁吸收过程

早在1937年铁蛋白(ferritin)就被发现并公认为是铁的储存蛋白，在各种组织和细胞中广泛表达，在铁稳态代谢中发挥关键作用。食物中的铁主要分为血红素铁和非血红素铁2种，在十二指肠和空肠近端的肠绒毛上皮细胞被吸收。血红素铁主要由血红素携带蛋白1(HCP-1)转运进入小肠吸收细胞内，然后再被亚铁血红素加氧酶1(hemeoxygenase 1，HOX1)降解成 Fe2+［10-11］。饲粮中的无机铁由肠绒毛上皮细胞的二价金属离子转运蛋白1(divalent metal transporter 1，DMT1)转运进入肠细胞内。由于食物中的铁大都是氧化态的Fe3+，因此首先被铁还原酶十二指肠细胞色素b(Dcytb)还原成Fe2+。进入细胞内的铁如果不转运进机体内，将会和铁蛋白结合储存在细胞内，并随着肠绒毛细胞的脱落而排出体外。细胞内的铁穿过肠上皮细胞的基底膜进入血液循环系统是由膜铁转运蛋白1(ferroportin 1，Fpn1)来介导完成的。这一过程需要铁氧化酶(hephaestin，HP)——一种和血浆铜蓝蛋白(ceruloplasmin，CP)同源的含多铜氧化酶，HP将Fe2+氧化成能和血液中转铁蛋白(transferrin，Tf)结合的Fe3+。小肠铁吸收量受到体内铁水平、氧浓度、炎症、红细胞生成素等因素的影响。

2.2 机体内铁稳态及其调控的分子机制

由于铁具有重要的生理作用，因此机体内有严格的铁代谢调节机制可以确保体内铁处于正常的生理水平。体内铁稳态是由2条路径参与维持的:一个是铁调素(hepcidin，Hepc)-Fpn1调控轴，系统的调控体内铁水平，另一个则是铁反应元件/铁调控蛋白(IRE/IRP)系统在mRNA水平调节细胞内铁吸收转运的相关蛋白含量。

Hepc是2000年左右由2个独立的实验室分别从人尿和血液中发现的由肝脏合成的阳离子抗菌多肽［12-13］。Nicolas等［14］在研究 USF2 基因敲除小鼠过程中意外发现Hepc与铁代谢相关，负反馈调控机体铁代谢过程。Hepc的作用部位主要是脾、十二指肠，其次是肝脏，这些组织含有与之结合的受体Fpn1［3］。体内Hepc的表达主要受体内铁水平、氧浓度、炎症及红细胞生成素的影响。肝细胞通过感受转铁蛋白饱和度和细胞内铁水平的变化来调节Hepc的表达。Hepc主要在肝细胞中合成，之后分泌至血液将体内铁需要的信号传至小肠，调控小肠铁的吸收。当机体铁过多时，Hepc表达水平增高，和Fpn1结合，引起Fpn1的内化降解，从而减少了Fpn1介导的小肠细胞铁吸收转运和巨噬细胞的铁输出，减少了血液循环中的铁含量。中国科学院营养研究所的研究人员以小鼠为模型，发现了巨噬细胞Fpn1在维持机体铁稳态方面的重要作用，同时也揭示了Fpn1巨噬细胞-免疫应激间的体内网络调控机制［15］。

传统的观点认为，十二指肠隐窝细胞是感受机体铁变化信号的部位。当机体需铁时，这些成熟肠上皮细胞的前体细胞可感受这一变化，因此在其分化为成熟肠上皮细胞后，它们的 Dcytb、DMT1、Fpn1和HP的表达增加，进而铁的吸收量增加，以满足机体铁的需要或恢复铁稳态［4，16］。Hepc的发现彻底推翻了人们长期认为的“隐窝细胞”吸收假说。Hepc和Fpn1主要是系统地调节动物体内的铁平衡状况，而细胞内的铁稳态则由IRE/IRP从翻译后水平调控。当细胞内缺铁时，铁调控蛋白1(IRP1)或者铁调控蛋白2(IRP2)和细胞内铁转运和储存蛋白mRNA的非翻译区(untranslated regions，UTR)上的 IRE结合。IRP和5＇UTR上的IRE结合时，抑制了mRNA的翻译，然而和3＇UTR上的IRE结合时，却增加了其mRNA的稳定性，翻译水平增加。结果是转铁蛋白受体1(TfR1)、DMT1介导的铁吸收增加，然而储存铁的铁蛋白和转运铁的Fpn1减少，因此，细胞内的铁池增加［17-18］。Hepc可以直接作用于小肠上皮成熟的绒毛膜细胞，改变肠细胞基底膜Fpn1介导的铁输出量，引起肠细胞内铁含量的变化，进而IRP/IRE系统发挥作用，在mRNA水平调控DMT1、铁蛋白、Fpn1等铁摄取和储存的分子的表达量，从而影响小肠铁吸收量，维持机体的铁稳态［1，17，19］。然而，Hepc如何精准地调控DMT1、Dcytb和Fpn1还有待进一步研究。

3 幼龄动物铁的吸收

3.1 幼龄动物铁吸收调控

在婴儿和大鼠上的试验表明，与成年动物对小肠铁吸收的精准调控相比，幼龄动物机体自身对铁吸收的调控并不成熟。对6和9月龄婴儿的铁吸收研究显示，6月龄时，补铁组和对照组的婴儿从母乳中吸收的铁没有差异，分别是(11.9±7.4)%和(17.8 ±12.2)%;9 月龄时，补铁组的婴儿吸收的铁显著低于对照组，分别是(16.9±9.3)%和(36.7 ±18.9)%［20］。6 月龄时，无论初始的铁状况如何，血红蛋白的含量随着补铁而增加;9月龄时，对于在6月龄时血红蛋白充足的婴儿，补铁对其血红蛋白含量没有影响，但是，对于6月龄血红蛋白含量低的婴儿，其血红蛋白含量显著升高［21］。这表明婴儿出生后不能有效地根据食物中的铁含量和自身铁储存状况来调节铁的吸收量，铁吸收调控在早期还不成熟。在幼龄大鼠上的研究证实这个结果。初产的妊娠SD大鼠分别饲喂含铁35 mg/kg的对照饲粮和8 mg/kg的低铁饲粮，产仔后低铁饲粮组幼鼠分为2组，补铁组(每日灌胃30μg FeSO4)和铁缺乏组，对照组和铁缺乏组不补铁。10日龄时，3个试验组间铁吸收没有差异;然而，20日龄时，铁缺乏组的幼鼠吸收的铁显著高于对照组和补铁组。进一步研究显示，这种铁吸收量的变化是由铁转运蛋白的含量变化引起的。尽管各组间血红蛋白含量差异显著，十二指肠DMT1和Fpn1的含量却没有受到铁缺乏的影响。20日龄时，铁缺乏组幼鼠DMT1和Fpn1含量显著高于对照组［22］。DMT1和Fpn1随着日龄增加表达量变化的差异表明了大鼠铁吸收调控功能是在不断发育成熟的;也间接指出了婴儿在6和9月龄时对补铁有不同反应的原因［21］。幼鼠在生长早期并不能够根据饲粮中铁含量增高或者补铁来相应下调铁吸收转运蛋白，因此对幼龄动物补铁不能添加过量。

关于DMT1和Fpn1的个体发育规律，DMT1和Fpn1的mRNA在1日龄幼鼠的十二指肠就开始低水平表达，而且随着生长不断增高，40日龄时急剧增加;此时幼鼠体内的铁状况已经得到改善，因此不可能是因为缺铁引起DMT1和Fpn1表达量的增高，这一点和小肠乳糖酶、蔗糖酶-异麦芽糖酶等基因在体内的发育趋势一致［23］。Lipinski等［24］也报道，在仔猪出生后的头2 d里几乎检测不到DMT1和Fpn1这2个对小肠铁吸收非常重要的转运蛋白，出生后第4天表达量才开始增加，这个时间段正好和小肠上皮绒毛发育成熟一致。在成年动物铁吸收精准调控中发挥重要作用的Hepc-Fpn1铁吸收调控轴在幼龄动物出生后早期是不成熟的。据报道，肌肉注射葡萄糖苷铁的仔猪尽管引起了Hepc mRNA处于高水平表达，但是十二指肠Fpn1 mRNA的表达量却很高，也就是说其十二指肠Fpn1 mRNA表达量和肝脏Hepc mRNA表达量没有关系。进一步检测显示，补铁组Fpn1 mRNA表达量升高不是IRP1的调控引起的，因为补铁组和对照组的IRP1水平并没有差异［24］。这些结果提示，出生仔猪十二指肠Fpn1对肝脏Hepc mRNA表达量增高不敏感，其Hepc-Fpn1铁吸收调控轴功能不成熟。

研究表明，仔猪在出生后Hepc的mRNA短暂的高水平表达，这可能是由于出生幼畜体内白介素-6(IL-6)含量高引起的炎症反应促进了Hepc mRNA的表达;出生第2～14天，Hepc mRNA表达开始降低，之后一直处于低水平表达［24］。Frazer等［25］指出，SD 大鼠出生后 10 和15 d时，Hepc mRNA表达量很低;直至断奶前后20日龄时，其mRNA表达量才迅速增加［26］。上述试验结果表明，Hepc mRNA的表达量在幼龄动物断奶前是比较低的，其对机体铁吸收调控能力微弱，即便补铁后Hepc mRNA的表达量升高，其对十二指肠的Fpn1也没有表现出调控作用。然而，仔猪在出生后期也就是断奶前后，其Hepc-Fpn1铁吸收调控轴是否发挥作用目前还没有报道。

总之，在幼龄动物出生后早期，机体Hepc-Fpn1铁吸收调控轴无法有效的根据机体的铁状况来发挥调控作用，从而导致幼龄动物在出生后早期铁吸收无法像成年动物那样得到有效地精准调控。

3.2 幼龄动物铁的高效吸收

研究表明，婴儿单靠哺乳成长至少可以维持体内充足铁水平直到6月龄［27］，由此可见婴儿对乳汁中的铁吸收效率非常高。动物模型上的试验也表明，这种高效吸收一直持续到断奶前后，然后降到成年水平。Frazer等［25］用SD大鼠(21日龄断奶)做模型，通过口服放射性同位素59Fe测定铁的吸收效果，初生幼鼠在10和15日龄时铁吸收效率非常高，分别是(87.0±2.2)% 和(84.1±4.2)%，但是在20日龄时急剧下降到(50.6±4.9)%。25日龄时，铁吸收降到和成年大鼠同样的水平，分别是(7.8 ±1.7)%和(10.6 ±3.5)%。这个结果证实幼龄动物哺乳期间铁吸收效率很高，但是断奶后迅速降到成年水平。原位结扎试验也同样印证了上述观点，十二指肠铁吸收效率，15日龄是25日龄的3.3倍;同样，远端小肠的回肠和结肠，15日龄是25日龄的4倍，尽管远端小肠的铁吸收效率远低于十二指肠，然而结肠15日龄时铁的吸收效率超过了十二指肠25日龄时的吸收效率。Frazer等［25］发现远端小肠和结肠DMT1、Fpn1和Dcytb的mRNA在断奶前高水平表达，在10和15日龄时开始增高，远端小肠在25日龄、回肠在20日龄时，这些基因的表达水平降低到成年水平，这一变化和原位结扎试验的结果相一致。虽然远端小肠和结肠的铁吸收效率低于十二指肠，然而考虑到空肠、回肠和结肠占有小肠87%的面积，Frazer等［25］确信幼鼠哺乳期间远端小肠和结肠吸收的这部分额外的铁是出生幼鼠铁吸收效率高的原因。断奶前后，远端小肠发育成熟，引起参与铁吸收转运的蛋白表达量降低，进而铁吸收量也降低［25］。

3.3 幼龄动物铁过量的副作用

为了预防幼龄动物出现缺铁性贫血，出生后对其进行补铁是非常必要的。然而当补铁过多造成机体铁过载，细胞中铁含量过高时，会导致蛋白质、脂肪和DNA的氧化损害，进而造成细胞损伤和死亡［28］，从而带来一些危害。研究表明，肌肉注射右旋糖苷铁(每千克体重100 mg Fe)后，肝脏实质器官铁沉积多，主要形式是右旋葡萄糖苷铁［24］。肝膜提取物中有大量富铁铁蛋白，大量的右旋糖苷铁被胞内铁蛋白解毒，然后又被溶酶体快速吸收降解。而这些来自降解铁蛋白的可溶性铁会引起溶酶体内的氧化反应，继而引起溶酶体膜损伤和破坏性内容物泄露。而且这种铁沉积还会引起肝脏8-羟基脱氧鸟苷(8-oxodG，DNA氧化损伤生物标记)含量升高，DNA损伤修复系统关键酶Apex1的mRNA表达量增高。

对不存在缺铁性贫血的婴儿进行补铁，有潜在的危险，尤其是在6月龄前，与不补铁的婴儿相比，补铁的婴儿体长增加少、腹泻次数增多［29］。新生大鼠大脑中铁含量增加，尤其是在基底核，也许是大脑神经功能紊乱的原因［30］。

4 小结

综上所述，在幼龄动物生长发育的早期适宜的补充铁是非常重要的，过少和过多都会带来相应的不良反应。哺乳阶段的动物生长发育迅速对铁相关的疾病尤为敏感，主要是饲粮中铁含量不足导致的缺铁性贫血等因素造成。然而，当饲粮中铁含量过高或者肌肉注射补铁过多时，由于幼龄动物铁吸收效率高同时还不能有效地对铁吸收过程进行调控，它们将会沉积过多的铁，从而产生过多的自由基，引起氧化应激。研究表明，母体缺铁的时候胎儿通过主动摄取母体铁以满足自身发育的需要［31］。这也为如何通过母体对胎儿安全有效地补铁提供了一个途径。进一步研究哺乳期幼龄动物对铁的高效吸收机制、铁的吸收形式以及精确化补铁具有十分重要的科学和实践意义。

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