鋅、鐵、鈣缺乏與兒童肥胖研究進展

馮佳賓，李 娜

(沈陽市兒童醫院1.兒內科，2.神經康復實驗室，遼寧 沈陽 110031)

隨著經濟全球化進程的加快，肥胖問題呈現出全球流行態勢。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量在10年內增加了2～3倍[2]。肥胖是21世紀嚴重的健康問題和社會問題，為目前公認嚴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育，還增加成年期患病風險，給個人和社會造成嚴重的社會和經濟負擔。

兒童肥胖原因不僅受生活方式、環境、遺傳因素的影響，還受體內元素失衡的影響。體內元素作為生物系統中的一種酶成分，或是細胞內的一種催化劑，可通過影響炎癥及過氧化、免疫系統、胰島素抵抗等途徑引發兒童肥胖。此外兒童由于遺傳、飲食結構不合理、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，與兒童肥胖發病風險存在相關性。

1鋅缺乏與兒童肥胖

1.1鋅缺乏與兒童肥胖的關系

由于鋅的缺乏，細胞的許多功能，如殺死病原體、降低細胞毒性、調控細胞因子產生、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運而引發的一過性低鋅血癥)是炎癥反應的危險信號。缺鋅期間發生感染的概率及持續時間明顯增加，而氧化應激可導致肥胖及一系列疾病的發生[3]。

Louren?o等[4]在巴西亞馬遜地區對1 007名≤10歲的兒童進行的一項縱向研究中認為低度炎癥性變化可作為預測兒童體質量指數(body mass index，BMI)增長的證據。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，認為脂肪細胞因子和低鋅血癥通過多種機制共同參與過度的氧化應激，與肥胖及其相關并發癥的發生密切相關。Vivek等[6]根據疾病預防控制中心(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，認為鋅缺乏可能是引發高血脂的原因。Fan等[8]通過某項橫斷面研究調查了5 404名6～19歲肥胖兒童，認為6～19歲是兒童肥胖或合并癥發生的重要時期，且鋅與BMI之間存在顯著的負相關關系。Morales等[9]對西班牙巴倫西亞710名兒童(6～9歲)進行調查，發現38.6%的超重兒童體內鋅水平較低。以上數據均支持低鋅與兒童肥胖密切相關，提示低鋅可引發兒童肥胖以及增加一系列并發癥的發生率。

1.2鋅缺乏引發兒童肥胖可能的作用機制

鋅缺乏時通過多種機制增強活化B細胞的轉錄核因子-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)的表達以及促進環核苷酸磷酸二酯酶(cyclic nucleotide phosphodiesterase，PDE)水解第二信使環磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)和環鳥嘌呤核苷(cyclic guanosine monophosphate，cGMP)，抑制蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)的激活并下調鋅指蛋白A20(抗炎蛋白)的表達，進而抑制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轉位到核內與其相關的DNA基序結合以誘導靶基因的轉錄，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)、白細胞介素(interleukin，IL)、ROS、NOS等炎癥細胞因子，進而促進炎癥反應、增加氧化應激和胰島素抵抗[12]。同時低鋅無法與蛋白激酶C(protein kinases-C，PKC)α亞單位C1結構域匹配，不能形成四個Cy3She結合基序，進而不能完成初始翻譯[3]。阻礙蛋白激酶介導的底物絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)的磷酸化[13]，促進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)，進而阻礙中性粒細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)和胰島素瘤相關蛋白2(insulinoma-associated protein 2，IA-2)的表達，激活氧化應激的同時增高糖尿病、酮癥酸中毒的發生率[14]。還可抑制葡萄糖釋放必須依賴的轉運蛋白-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為，幾乎所有免疫細胞的功能發揮都高度依賴鋅。鋅缺乏時誘導鈣保護蛋白(S100家族)的表達，致單核巨噬細胞優先成熟進而抑制細胞抗炎因子的產生和抗微生物活動，使細胞無法完成解毒、降低濃度、釋放及清除ROS及NO等[11]。低鋅可降低靶細胞對主要組織相容性復合體I類(major histocompatibility complex I，MHC-I)的識別和裂解活性而減弱NK細胞功能，并阻礙CD341祖細胞向NK細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胞攝取、降解抗原，抑制STAT信號通路的磷酸化，減弱B細胞分化產生抗體的能力[3]，使隨后的CD4+、CD8+下降，增加氧化應激風險[11]。低鋅還可直接活化或間接促進氧自由基和其他毒素活化caspase信號通路，進而抑制骨髓早期B細胞活性并促進某些促炎細胞因子的分泌[10]。另外，低鋅可使巨噬細胞刺激1型T輔助(Th1)/巨噬細胞刺激2型T輔助(Th2)細胞比例失調，激活過強的固有免疫系統[3,14]。低鋅還可通過抑制干擾素調節因子-1(interferon regulatory factor-1，IRF-1)的活性，減少叉頭框P3因子(forkhead box P3，FOXP3)的表達，不利于免疫調節性T細胞的發育，進而不能分泌大量的抗炎細胞因子[11]。此外鋅作為第二信使，在正確的RNA轉錄、DNA合成、細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期相關基因的表達，影響T、B細胞的增殖、存活。通過促進鈣依賴性核酸內切酶的活性，使DNA片段化程度增加[3]，并且因不能正常調節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)，進而影響與代謝相關基因的表達，產生肥胖[11]。例如，ZnT7突變誘導胰島素抵抗；ZnT8基因缺陷(ZnT8陽性)損傷β細胞，使自身抗原對免疫系統具有高度敏感[14]。長期低鋅使鋅鐵轉運蛋白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/增強子結合蛋白)的活性而促使脂肪細胞褐變，降低骨骼肌和棕色脂肪組織的能量消耗，易引發肥胖[16]；ZIP14基因缺陷使全身骨代謝、糖異生功能受損，胰島素信號轉導減少，脂肪細胞肥大，脂肪細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系

鐵穩態是氧化應激動態平衡的基礎。鐵缺乏產生活性氧等加劇氧化應激、炎癥反應，并啟動對細胞存活和死亡至關重要的信號通路，易引發兒童肥胖。

2.2鐵缺乏引發兒童肥胖可能的作用機制

Hepcidin是機體最主要的鐵傳感器，鐵缺乏抑制Hepcidin的表達，導致自由基生成和氧化應激增加。炎癥細胞因子及脂肪組織激活JAK/STAT3途徑誘導Hepcidin的表達，限制鐵向致病微生物供應的同時也導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，FPN1)結合，誘導Hepcidin在溶酶體中的內化和降解，進而控制腸細胞、巨噬細胞和肝細胞內的鐵循環，還可抑制從飲食中吸收鐵和從循環巨噬細胞及其他機體儲存中釋放鐵，導致循環鐵水平下降，加重惡性循環[22-23]。血紅素加氧酶(包括吲哚胺及色氨酸2，3-雙加氧酶在內的一類酶)可分解代謝血紅素[23]，產生CO、NO等二價氣體分子跨生物膜傳輸電子，促進LPS刺激IL-10分泌，誘導血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)的表達[24-25]。HO-1通過Keap1途徑結合、調節各種血紅素基團中的鐵[24]。Keap1途徑的激活會抑制轉錄因子E2相關因子-2(nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2)的表達[23]。Nrf2參與血紅素-鐵代謝的基因轉錄，進而抑制血紅素-鐵分解代謝調節，造成NOS、COS、H2O2等積累，并激活巨噬細胞中芳烴受體的轉錄因子和M1型Th1適應性反應，影響宿主的免疫應答，引發相關的氧化應激。此外當鐵血紅素被氧化時，胱硫醚β合成酶(cystathionine β-synthase，CBS)酶是完全活躍的，在轉錄水平上通過TLR-4信號介導的NF-κB活化、轉錄因子信號轉導及轉錄激活因子家族(signal transducer and activator of transcription，STAT)，激活干擾素-γ(interferon-gamma，IFN-γ)受體下游，誘導巨噬細胞表達誘導型NOS[24-25]。

此外，缺鐵缺氧誘導因子(hypoxia-inducible factor，HIF)在低鐵低氧條件下，可調節α亞基(HIF-α)與廣泛表達的鐵伴侶蛋白-PCBP家族蛋白中β亞單位形成復合物，影響細胞核調控肥胖相關基因的轉錄[25]。其中HIF-α異構體的激活還可觸發有氧糖酵解而調節巨噬細胞的功能。鐵缺乏還可通過促進NF-κB p65核轉位，增加NOS、IL-1β、IL-6、12和TNF-α的表達，從而促進內毒素誘導的促炎反應[24]。而炎癥反應可產生如脂質運載蛋白-2(lipocalin-2，LCN2)的蛋白質，通過螯合鐵、限制致病菌對鐵的利用，在先天免疫中發揮作用，還可下調鐵蛋白，引發肥胖[22]。

3鈣缺乏與兒童肥胖

3.1鈣缺乏與兒童肥胖的關系

肥胖者體內脂肪細胞中鈣蓄積，增加脂肪酸合成酶活性，降低解偶聯蛋白表達，致使脂質合成增加，產熱減少，進而直接增加體脂。血清鈣的減少通過影響糖代謝間接促發兒童肥胖。

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指數之間的關系，認為在基線水平上，總鈣攝入量與BMI呈反比關系。Suhett等[27]通過對巴西某市區內350例8～9歲兒童調查，認為低鈣攝入與兒童腹部過度肥胖有關，監測足夠的鈣攝入量至關重要。Fayet-Moore等[28]對2007年澳大利亞全國兒童營養和身體活動調查(2～16歲，n=4 487)的兩個24小時回憶數據進行了二次分析，發現鈣攝入量高的人，總脂肪攝入量顯著降低，超重發生率也降低。Li等[29]系統檢索了四個數據庫中1994—2016年發表的鈣與體重變化的相關研究，發現兒童、青少年超重或肥胖者鈣補充量與體重變化呈負相關。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該集中在高營養密度的食品上。Tong等[31]連續16周用含45%脂肪熱量的高脂飼料喂養小鼠后觀察到，在飲食誘導的肥胖癥的細胞代償反應中，血清鈣的缺乏起著關鍵性作用。以上數據均支持低鈣與兒童肥胖密切相關，認為肥胖兒童應早期補充相應鈣劑。

3.2鈣缺乏引發兒童肥胖可能的作用機制

Ca2+水平或亞細胞Ca2+信號通路的改變介導脂肪細胞中多個非選擇性陽離子通道家族-瞬態受體電位(transient receptor potential，TRP)通道，調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，調節脂質代謝、分化及基因調控。如trpc6介導肌動蛋白細胞骨架重組(pak，rac1和cofilin)相關蛋白質的磷酸化、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[32]，參與葡萄糖運輸的胰島素調節，在肥胖中扮演著重要的角色。Ca2+通過影響細胞膜及細胞器上TRP，引發一系列變化，如Ca2+激活鈣調素蛋白激酶(calcium-calmodulin-dependent protein kinases，CaMK)直接磷酸化并激活許多重要反應，包括促炎信號分子JNK和p38，激活蛋白激酶及轉錄等，推動包括過氧化物酶體增殖蛋白激活受體γ、pgc+1α等在內的炎癥基因表達，促進脂肪細胞的氧化代謝和呼吸[33]。脂聯素對抗高脂肪肥胖及空腹血糖升高，脂肪細胞內Ca2+抑制脂聯素的生成，鈣感受器誘導自噬體的形成及TNF-α、IL-6、IL-1β、趨化因子(如C-C motif chemokine ligand 2，CCL2)等促炎因子的產生[34]，調節L-色氨酸(L-tryptophan，L-trp)介導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，可導致胰島素抵抗和脂質代謝失調，Ca2+減少時通過活化Nfatc機制增加抵抗素的表達，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Ca2+吸收或氧化磷酸化呼吸鏈，將線粒體能量轉化為熱量，引發肥胖和胰島素抵抗[35-36]。

綜上所述，元素鋅、鐵、鈣缺乏與兒童肥胖密切相關，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展。多項研究表明，平衡元素對于維持機體正常的氧化應激、免疫、基因等多個方面的穩定至關重要。因此兒童體內元素應被視為潛在的臨床治療及臨床健康狀況的評估指標，在對兒童肥胖的早期預防及診治、避免成人期患肥胖及相關疾病的風險、提高兒童及成人生活質量等方面都是具有極大意義的。