哺乳动物妊娠期钙代谢的研究进展

姬浩起，张志飞，鲍颖颖，官北清，郑惠玲

（西北农林科技大学动物科技学院，陕西杨凌 712100）

钙是动物体内极为重要的一种常量元素，参与动物体骨骼和牙齿的构成，参与维持神经信号传导、肌肉收缩和免疫等生理学功能[1]。骨骼、肠道、肾脏及哺乳动物乳腺组织是维持动物体内钙平衡与钙稳态的重要场所。一些钙调节激素如降钙素（CT）、甲状旁腺激素（PTH）和1,25-二羟基维生素D3（1,25-（OH）2-VitD3）对动物体内钙代谢的调节起到至关重要的作用[2]。

正常情况下，食物是哺乳动物钙的唯一来源，饮食中摄入的钙约有30% 可被机体吸收。骨骼中的钙占动物体内总钙含量的99%，剩余1%分布于细胞外液及血液中[3]。一般情况下，雌性动物从日粮中摄取的钙足以维持自身需要，但在妊娠期内，雌性个体既要维持自身钙代谢，又要满足胎儿生长发育对钙的需求，因此极易发生钙平衡和钙稳态紊乱，诱导多种钙代谢相关疾病的发生[4]，如产后瘫痪、酮病、胎儿生长发育不良等[5]，给畜牧生产带来较大经济损失。本文综合近年来国内外妊娠期哺乳动物钙代谢相关研究，从不同组织器官钙代谢情况及钙代谢过程中重要的调节因子的调控作用进行综述，旨在为更多哺乳动物妊娠期钙代谢调节相关研究提供依据。

1 妊娠期哺乳动物钙代谢特点

妊娠期的哺乳动物平均每天向胎儿提供30 g 钙、20 g 磷，其中80% 以上的钙转运发生在妊娠后期，由此可见妊娠后期是整个妊娠期钙代谢的关键期及钙稳态薄弱期。在这一时期，动物肠道对钙的吸收能力增强，钙流失降低，同时从骨骼中释放钙离子以补充体内钙的不足。雌性动物妊娠期间不仅需要摄入足够量的钙以供应胎儿的钙吸收，确保胎儿骨骼有充足的钙沉积，保持母体细胞内钙信号的级联反应，以维持正常的信号传导、肌肉收缩、免疫等生理学功能，同时也要维持细胞内正常的钙浓度，避免钙摄入过多细胞发生钙中毒等钙代谢紊乱现象[6]。

怀孕鼠常作为雌性动物妊娠期内钙代谢调控研究的模式动物，其妊娠期较短，约为19～22 d，且每胎产6～12 个仔鼠。研究表明，怀孕鼠在怀孕17 d 到足月期间要为每个胎儿提供12 mg 钙，占整个妊娠期钙供给的95%[6]，可输送超过80%的母体钙循环量。虽然人类、牛、羊等大型哺乳动物在妊娠期向胎儿输送的钙仅占母体循环系统钙总量的5%～10%，但总钙量较大[7]，因而妊娠期哺乳动物在妊娠期患低血钙症及继发性甲状旁腺功能亢进的几率十分高。

同样，猪、奶牛、山羊、绵羊等大型哺乳动物也存在妊娠期血液钙浓度降低、钙代谢需求显著升高的现象[8-11]。用不同钙含量的饲料饲喂山羊，发现妊娠期母羊饲用低钙日粮较普通日粮及高钙日粮更容易发生低血钙症[12]。妊娠期动物血钙浓度大约会下降25%，而低血钙发生时血清中钙浓度仅为正常水平的50%，甚至更低，由于血钙浓度严重降低，母体会增加相关激素的分泌，钙代谢活动在一定程度上加强，但血清钙浓度仍无法调节至正常水平，同时还可能引发激素功能亢进类疾病[13]。妊娠期奶牛或奶羊发生低血钙症的症状常为产后瘫痪、长卧不起，严重时可导致死亡，造成较大的经济损失[5,14]。

2 妊娠期哺乳动物不同器官钙代谢机制

妊娠期哺乳动物的钙代谢过程受到外源摄入养分及体内钙信号调节系统的共同作用，当母体对钙需求急剧增加，而机体不能及时对血钙浓度的急剧变化作出相应调节时，就会出现一系列的器官钙代谢自适应功能紊乱综合征。母体自身调节机制包括：胃肠道对钙的吸收、肾脏对钙的重吸收、骨钙代谢以及哺乳动物乳腺钙代谢调控等过程[14]。

2.1 肠道 动物从食物中摄取的钙有20%～30% 能够经肠道吸收转运进入血液循环，到达各组织器官发挥其生理作用，或沉积于骨骼之中作为钙储备存在。肠道是钙吸收的主要部分，小肠各部分（十二指肠、空肠、回肠）的长度及理化性质不同导致食糜的存留时间存在较大差异，因而三者对钙的吸收能力有所不同，回肠的钙吸收量达65%，十二指肠占8%～10%[15]。小肠黏膜对钙的吸收主要通过3 个途径[14]：①跨细胞运输。钙离子跨细胞运输为逆电化学梯度的主动吸收方式，钙离子通过小肠上皮刷状缘的钙离子受体TRPV6 进入细胞，之后钙离子与胞浆内蛋白结合，维持细胞内钙离子水平；②细胞旁途径。细胞旁途径为顺化学梯度的扩散吸收方式，其过程中不需任何载体蛋白的协助，当肠腔内钙离子浓度大于2 mmol/L 时可进行细胞旁途径运输[14]，在肠道的各部位都普遍存在。③囊泡运输。囊泡运输途径为细胞膜形成包裹钙离子的囊泡以胞吞胞吐的形式进行钙离子的转运方式。

同位素标记钙的试验证实，妊娠期大鼠通过肠道吸收的钙是正常时期的2 倍[16]。小肠细胞中调控钙吸收的调节因子，如钙离子受体TRPV5、TRPV6、钙结合蛋白Calbindin-D-28k 等在妊娠时期的表达量均高于非妊娠时期[16]；胎盘素、生长激素、催乳素及1,25-二羟基维生素D3是促进哺乳动物妊娠期特别是妊娠后期胃肠道吸收钙能力的重要调控因子，其中1,25-二羟基维生素D3水平提升3～4 倍，是这一时期肠道钙稳态的主要调节剂[17]。

2.2 肾脏 肾脏是动物体钙代谢的主要器官之一，血液中的游离钙离子可以通过肾小球的滤过作用进入原尿中，而经肾小球滤过的钙离子约有99% 会被重吸收进入血液循环之中，剩余1%随尿液排出体外。其中，肾小管的近端小管为重吸收作用的主要部位，其吸收率可达60%～70%，髓襻部位的重吸收可占20%～30%。处于近端小管细胞内的钙离子会通过细胞基侧膜上的Ca2+-ATP 泵泵出细胞，进入血液循环；髓襻部位的钙离子主要通过Na+和Cl-主动转运形成电位差，继发性通过主动转运对钙离子进行重吸收[18]。

妊娠期间哺乳动物尿钙排泄量明显升高，正常女性的尿钙排泄量为2.50～8.75 mmol/d，而孕妇的排出量高达15.5 mmol/d[19]。这一现象与妊娠期肾小球滤过率显著上升有着密不可分的关系，同时妊娠期机体内皮质类固醇、甲状腺激素、甲状旁腺激素等分泌量增加也可促进尿钙排泄。妊娠期母体肾脏1-α羟化酶活性增强促进1,25-二羟基维生素D3合成，启动骨钙动员以补充循环系统中的钙含量，防止母体血钙浓度过低[20]。

2.3 骨骼 骨骼是动物机体结构的基本支架，具有支持、保护、维持形态以及运动等基本功能。动物机体中约有99%的钙以钙盐的形式沉积于骨骼和牙齿之中，作为钙库储备来调节维持机体内的钙平衡，在需要时可通过生物化学途径溶解进入血液循环。

骨钙与血钙的平衡依赖于骨形成、骨吸收和骨重建等多个过程，骨形成过程依赖于成骨细胞的成骨作用，将血钙和血磷转运至正在钙化的骨组织之中。骨吸收过程依赖于破骨细胞的溶解作用，吸收骨组织中的钙离子，使其逸出到达血液中。为维持骨骼的基本形态与功能，骨骼的自我更新过程依赖于成骨细胞与破骨细胞的协调作用且受到甲状旁腺激素和1,25-二羟基维生素D3的调控[20]。为了满足胎儿骨骼发育以及分娩时阵缩努责对钙的大量需求，妊娠期哺乳动物的钙储备会增加，接近分娩时体内对钙的需求达到峰值，如果此时骨钙动员与转化过程发生延迟或紊乱，极有可能造成低血钙症及继发性甲状腺肿的发生，严重时可造成母体死亡。目前已知有2 个关键因素可促使妊娠期骨质流失速率加快：一是由于妊娠所造成的促性腺激素分泌量减少，引发性腺机能衰退导致雌激素水平降低；二是甲状旁腺激素相关蛋白分泌增高，这2 个因素协同可以增加破骨细胞的活性与数量，从而加快骨钙释放[21]。

2.4 乳腺 乳汁的合成、转运、分泌过程需要大量的免疫球蛋白、乳糖、甘油三酯以及钙离子和磷离子等[21]。乳汁中钙含量很高，泌乳期妇女平均每天排出的乳汁中钙含量高达300～400 mg[21]。因而乳腺上皮细胞内存在较为完善的钙转运机制，以保证向外分泌乳汁的同时还保持细胞内钙水平稳定。

研究表明，乳腺上皮细胞中的钙敏感受体（Calcium-Sensing Receptor，CaSR）在妊娠期与哺乳期小鼠的钙代谢过程中发挥着重要作用[22]。CaSR 可以调节骨钙溶解入血，并作为载体将血液中的钙离子转运到乳汁中，若钙转运速度过慢，乳腺上皮细胞将会因为积累钙离子浓度过高而死亡[23-24]。另外，小鼠乳腺组织有通道蛋白TRPV5 和TRPV6 的表达[25]，因此乳腺上皮细胞可能同时通过TRPV5 和TRPV6 从细胞外液中摄入钙。

3 妊娠期哺乳动物体内钙调节因子变化

妊娠期哺乳动物钙代谢主要通过动物小肠、肾脏、骨骼及乳腺4 个不同组织器官代谢途径进行保障，在不同组织器官的钙代谢过程中起作用的则是一些关键的钙调节因子（如甲状旁腺激素、甲状旁腺激素相关蛋白、1,25-二羟基维生素D3及降钙素等）。这些调节因子共同发挥作用，维持着妊娠期和哺乳期动物复杂且精细的钙调控网络（图1）。

3.1 甲状旁腺激素 甲状旁腺激素（Parathyroid Hormone，PTH）是由甲状旁腺主细胞合成和分泌的，具有升高孕期血钙水平的作用，对于维持体内钙代谢平衡不可或缺。

甲状旁腺激素可直接作用于骨和肾脏2 个器官，对小肠具有间接调节作用。PTH 可以增大骨细胞膜对Ca2+的通透性，使大量Ca2+从骨液之中进入细胞，从而使钙泵活动增强，将Ca2+转运到血液之中进行循环使血钙升高；PTH 也可作用于肾小管，促进肾远球小管对钙的重吸收，使血钙升高，减少尿钙排出；PTH还可以间接地通过调节1,25-二羟基维生素D3促进肠道对钙的吸收，以维持血钙的动态平衡。

体外试验表明，正常妊娠大鼠的甲状旁腺体积约为从未受孕过大鼠的2 倍，但甲状腺体积增大不意味着PTH 释放量增多。在动物妊娠期间，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围，怀孕末期稍有升高，一般会高于正常时期含量[24]。同时，妊娠期间PTH 水平受饮食中钙摄入的影响，以标准饮食为例，随着钙含量的增加，PTH 含量会逐渐下降，饲喂1% 钙日粮的妊娠小鼠体内PTH 总量约为非妊娠期的20%；当日粮中钙浓度提升为2%时，小鼠体内PTH 水平显著降低；在饲喂0.1%钙浓度日粮时，尽管有PTH 含量的代偿性增高，小鼠依旧会出现低血钙症与继发性甲状旁腺功能亢进[13]。综上所述，妊娠期哺乳动物体内PTH 浓度主要取决于日粮中钙的浓度水平，也证实PTH 在妊娠期通过调控肠道、肾脏对钙的吸收作用来发挥维持体内钙平衡的作用。

3.2 甲状旁腺激素相关蛋白 甲状旁腺激素相关蛋白（Parathyroid Hormone Related Protein，PTHrP）作为一种引发恶性高血钙症的因子于1987 年被首次发现，随后被证实为一种内分泌激素，正常状况下是由各种哺乳动物的乳腺组织合成与分泌[26]。

图1 哺乳动物妊娠期钙代谢调控机制

PTHrP 作为一种内分泌激素，被认为是生长发育的局部调节器。PTHrP基因被特异性敲除后会引起严重的骨发育缺陷，同时PTHrP 乳腺特异性敲除小鼠的循环系统中PTHrP 显著降低，乳汁中钙浓度也会随之下降[26]。PTHrP 与PTH 具有同源结构，能够激活PTH和PTHrP 的共同受体，与PTH 具有近乎相同的功能，其同源区域被证明能刺激胎儿胎盘钙转运[27]。PTHrP 与PTH 的非同源区域被证明具有抑制骨吸收的作用，由此推测，PTHrP 可能具有防止妊娠期间母体骨骼过度释放钙的作用。PTHrP 可以从甲状旁腺、胎盘、乳腺组织以及子宫等部位进入母体循环。研究表明，大鼠乳腺组织中PTHrP 的表达随着催乳素水平的增加而上升，子宫肌层中PTHrP 的表达随着雌二醇含量的增加而上升[28]。因此，与妊娠相关的高催乳素和雌二醇水平可能促使PTHrP 在以上特定组织中的表达增加。Sebag 等[29]研究表明，妊娠期哺乳动物体内雌二醇水平升高能够促进PTHrP 产生，而雌二醇可以增加体外培养的人子宫肌层细胞的PTHrP mRNA 表达，但它不会刺激乳腺上皮细胞产生PTHrP。山羊试验研究显示，PTHrP 在妊娠母羊预产期前1～2 d 内显著升高，且高于未怀孕母羊[30]。Glerean 等[31]研究显示，人体循环中的PTHrP 由妊娠前期到中期、后期逐渐升高，怀孕3～13 周时水平达到前3 周的3 倍，分娩前几天的PTHrP 水平约为正常未妊娠水平的2 倍，由此推测，妊娠期PTHrP 水平升高可能是抵抗血清中钙水平下降的主要因素之一[32]。

3.3 1,25-二羟基维生素D3（骨化三醇） 维生素D 是一种具有多种生理功能的类固醇激素。天然形式的维生素D 不具有生物活性，其活性形式为1,25-二羟基维生素D3。维生素D 首先在肝脏中经25-羟化酶羟基化形成2,5-（OH）D3，然后在肾脏中经1α-羟化酶和24 -羟化酶羟基化形成1，25-二羟基维生素D3[33]。

维生素D 可直接作用于小肠和骨。骨化三醇进入小肠黏膜细胞内，与胞浆受体结合后进入细胞核，促进钙结合蛋白转录与合成，参与钙的转运而促进钙的吸收；骨化三醇也可以通过维生素D 受体调控成骨细胞的功能。郭丽娟等[34]研究表明血钙浓度较高时，骨化三醇可刺激人成骨细胞MT1-MMP基因表达，启动骨形成；在血钙浓度降低时，骨化三醇又可以提高破骨细胞的活性，动员骨钙入血，使血钙浓度快速升高。由此可见，骨化三醇对钙浓度具有双重的调控作用。同时，骨化三醇还能增强PTH 对骨的作用，在缺乏骨化三醇时，PTH 的作用明显减弱。

哺乳动物妊娠前期体内骨化三醇水平是稳定的，尽管有部分经胎盘通道运送到胎儿，总的游离骨化三醇水平在怀孕的前期有所增加，在妊娠后期骨化三醇的水平可达到非孕期的3 倍甚至更多[34]。在兔和豚鼠的相关研究中发现，妊娠期动物调控骨化三醇表达的CYP27B1基因表达在肾脏中被上调了2～5 倍[35]。由此可见，妊娠期动物体内骨化三醇的增加几乎完全来自于母亲的肾脏，而非胎盘或胎儿。

3.4 降钙素 降钙素（Calcitonin，CT）是由甲状腺的滤泡旁细胞（C 细胞）分泌，位于甲状腺滤泡的基底膜内，源于胚胎期外胚层和神经脊的类似肾上腺髓质的一种激素[35]。降钙素可以抑制骨骼脱钙，有效降低血钙。

哺乳动物妊娠期间，降钙素可促使肠道钙吸收增加，并促使血钙向母体骨沉积。尽管高水平的骨化三醇可以抑制降钙素，但降钙素含量较非哺乳时期还是有所增加，以保护母体骨骼防止骨钙流失过度。研究证明，妊娠期间大鼠、小鼠、猴子、绵羊和山羊的血清降钙素水平均有增加[36]。通常情况下甲状腺C 细胞被认为是降钙素的唯一合成位点，但在妊娠期间，乳腺和胎盘同样能够合成降钙素。在妊娠初期，血清降钙素平均含量显著上升，妊娠后期血清降钙素的含量上升至妊娠初期的3 倍以上[37]，以起到保护母体骨骼的作用。

4 总结

综上所述，妊娠期哺乳动物一方面要维持自身钙代谢平衡，另一方面需要满足胎儿骨骼的正常发育以及分娩过程中的钙消耗，因此对钙的需求升高，尤其在妊娠后期需求增加显著。钙代谢主要存在于肠道、肾、骨骼以及乳腺组织之中，且都会受到重要调节因子（如PTH、PTHrP、骨化三醇、降钙素等）调控。哺乳动物体内的调节因子含量也随着妊娠期动物的生理特点有所变化，它们彼此之间组成了一个复杂的钙代谢调节网络，维持着哺乳动物妊娠期间的钙稳态平衡。