锌、铁、钙缺乏与儿童肥胖研究进展

冯佳宾，李 娜

(沈阳市儿童医院1.儿内科，2.神经康复实验室，辽宁 沈阳 110031)

随着经济全球化进程的加快，肥胖问题呈现出全球流行态势。从全球来看，1980年至2013年间儿童超重和肥胖的患病率增加了47%，世界上有21亿人超重或肥胖[1]。在瑞典，每10万名儿童中被诊断出患有肥胖症的儿童数量在10年内增加了2～3倍[2]。肥胖是21世纪严重的健康问题和社会问题，为目前公认严重危害小儿健康的主要问题之一。肥胖不仅危害儿童生长发育，还增加成年期患病风险，给个人和社会造成严重的社会和经济负担。

儿童肥胖原因不仅受生活方式、环境、遗传因素的影响，还受体内元素失衡的影响。体内元素作为生物系统中的一种酶成分，或是细胞内的一种催化剂，可通过影响炎症及过氧化、免疫系统、胰岛素抵抗等途径引发儿童肥胖。此外儿童由于遗传、饮食结构不合理、生长快速等原因更易引起元素的缺失。近年来随着临床研究不断深入，越来越多的研究表明元素缺乏，尤其是锌、铁、钙缺乏，与儿童肥胖发病风险存在相关性。

1锌缺乏与儿童肥胖

1.1锌缺乏与儿童肥胖的关系

由于锌的缺乏，细胞的许多功能，如杀死病原体、降低细胞毒性、调控细胞因子产生、中和活性氧(reactive oxygen species，ROS)和氮物种(nitrogen species，NOS)等均受到了损害。急性相锌的瞬时变化(即急性感染时血清锌向组织瞬时转运而引发的一过性低锌血症)是炎症反应的危险信号。缺锌期间发生感染的概率及持续时间明显增加，而氧化应激可导致肥胖及一系列疾病的发生[3]。

Lourenço等[4]在巴西亚马逊地区对1 007名≤10岁的儿童进行的一项纵向研究中认为低度炎症性变化可作为预测儿童体质量指数(body mass index，BMI)增长的证据。Habib等[5]将72名肥胖儿童、青少年(5～17岁)与40例健康非肥胖者对照，认为脂肪细胞因子和低锌血症通过多种机制共同参与过度的氧化应激，与肥胖及其相关并发症的发生密切相关。Vivek等[6]根据疾病预防控制中心(Centers for Disease Control，CDC)2000年的生长图表得出，肥胖儿童全血锌平均值显著低于非肥胖儿童。Azab等[7]检测80名肥胖儿童和80名健康非肥胖者血清，认为锌缺乏可能是引发高血脂的原因。Fan等[8]通过某项横断面研究调查了5 404名6～19岁肥胖儿童，认为6～19岁是儿童肥胖或合并症发生的重要时期，且锌与BMI之间存在显著的负相关关系。Morales等[9]对西班牙巴伦西亚710名儿童(6～9岁)进行调查，发现38.6%的超重儿童体内锌水平较低。以上数据均支持低锌与儿童肥胖密切相关，提示低锌可引发儿童肥胖以及增加一系列并发症的发生率。

1.2锌缺乏引发儿童肥胖可能的作用机制

锌缺乏时通过多种机制增强活化B细胞的转录核因子-κ-轻链增强子(nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells，NF-κB)的活性。如通过抑制过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptors，PPARs)的表达以及促进环核苷酸磷酸二酯酶(cyclic nucleotide phosphodiesterase，PDE)水解第二信使环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)和环鸟嘌呤核苷(cyclic guanosine monophosphate，cGMP)，抑制蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)的激活并下调锌指蛋白A20(抗炎蛋白)的表达，进而抑制Toll样受体(Toll-like receptors，TLRs)信号，最终增强NF-κB的活性[10-11]。活化的NF-κB转位到核内与其相关的DNA基序结合以诱导靶基因的转录，释放包括多种病原组分的脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白细胞介素(interleukin，IL)、ROS、NOS等炎症细胞因子，进而促进炎症反应、增加氧化应激和胰岛素抵抗[12]。同时低锌无法与蛋白激酶C(protein kinases-C，PKC)α亚单位C1结构域匹配，不能形成四个Cy3She结合基序，进而不能完成初始翻译[3]。阻碍蛋白激酶介导的底物丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)的磷酸化[13]，促进PDE及磷酸酶(如酪氨酸磷酸酶)的去磷酸化，抑制烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酶(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)，进而阻碍中性粒细胞胞外陷阱的形成及抗微生物活动等[10]。此外锌缺乏影响谷氨酸脱羧酶(glutamic acid decarboxylase，GAD)和胰岛素瘤相关蛋白2(insulinoma-associated protein 2，IA-2)的表达，激活氧化应激的同时增高糖尿病、酮症酸中毒的发生率[14]。还可抑制葡萄糖释放必须依赖的转运蛋白-4(glucose transporter-4，GLUT4)的敏感性，使餐后血糖水平急性升高[15]。

另外已有多项研究认为，几乎所有免疫细胞的功能发挥都高度依赖锌。锌缺乏时诱导钙保护蛋白(S100家族)的表达，致单核巨噬细胞优先成熟进而抑制细胞抗炎因子的产生和抗微生物活动，使细胞无法完成解毒、降低浓度、释放及清除ROS及NO等[11]。低锌可降低靶细胞对主要组织相容性复合体I类(major histocompatibility complex I，MHC-I)的识别和裂解活性而减弱NK细胞功能，并阻碍CD341祖细胞向NK细胞分化而降低其杀伤活性和穿孔素浓度[3]。低锌还可降低MHC-II活性而减弱树突状细胞摄取、降解抗原，抑制STAT信号通路的磷酸化，减弱B细胞分化产生抗体的能力[3]，使随后的CD4+、CD8+下降，增加氧化应激风险[11]。低锌还可直接活化或间接促进氧自由基和其他毒素活化caspase信号通路，进而抑制骨髓早期B细胞活性并促进某些促炎细胞因子的分泌[10]。另外，低锌可使巨噬细胞刺激1型T辅助(Th1)/巨噬细胞刺激2型T辅助(Th2)细胞比例失调，激活过强的固有免疫系统[3,14]。低锌还可通过抑制干扰素调节因子-1(interferon regulatory factor-1，IRF-1)的活性，减少叉头框P3因子(forkhead box P3，FOXP3)的表达，不利于免疫调节性T细胞的发育，进而不能分泌大量的抗炎细胞因子[11]。此外锌作为第二信使，在正确的RNA转录、DNA合成、细胞存活及凋亡方面是必不可少的。低锌可通过抑制有丝分裂G1中晚期、S期、G2期和M期相关基因的表达，影响T、B细胞的增殖、存活。通过促进钙依赖性核酸内切酶的活性，使DNA片段化程度增加[3]，并且因不能正常调节基因启动子的碱基序列(GATA和KLF)而抑制LPS及佛波酯(phorbol myristate acetate，PMA)，进而影响与代谢相关基因的表达，产生肥胖[11]。例如，ZnT7突变诱导胰岛素抵抗；ZnT8基因缺陷(ZnT8阳性)损伤β细胞，使自身抗原对免疫系统具有高度敏感[14]。长期低锌使锌铁转运蛋白ZIP基因家族异常缺失，如ZIP13基因缺陷影响全身骨骼生长异常、降低C/EBP-β(如PPARγ和CCAAT/增强子结合蛋白)的活性而促使脂肪细胞褐变，降低骨骼肌和棕色脂肪组织的能量消耗，易引发肥胖[16]；ZIP14基因缺陷使全身骨代谢、糖异生功能受损，胰岛素信号转导减少，脂肪细胞肥大，脂肪细胞因子和血浆瘦素水平升高[14]。

2铁缺乏与儿童肥胖

2.1铁缺乏与儿童肥胖的关系

铁稳态是氧化应激动态平衡的基础。铁缺乏产生活性氧等加剧氧化应激、炎症反应，并启动对细胞存活和死亡至关重要的信号通路，易引发儿童肥胖。

2.2铁缺乏引发儿童肥胖可能的作用机制

Hepcidin是机体最主要的铁传感器，铁缺乏抑制Hepcidin的表达，导致自由基生成和氧化应激增加。炎症细胞因子及脂肪组织激活JAK/STAT3途径诱导Hepcidin的表达，限制铁向致病微生物供应的同时也导致了慢性炎症性疾病的低铁血症[22]。同时Hepcidin通过与铁蛋白，如铁泵蛋白(ferroportin1，FPN1)结合，诱导Hepcidin在溶酶体中的内化和降解，进而控制肠细胞、巨噬细胞和肝细胞内的铁循环，还可抑制从饮食中吸收铁和从循环巨噬细胞及其他机体储存中释放铁，导致循环铁水平下降，加重恶性循环[22-23]。血红素加氧酶(包括吲哚胺及色氨酸2，3-双加氧酶在内的一类酶)可分解代谢血红素[23]，产生CO、NO等二价气体分子跨生物膜传输电子，促进LPS刺激IL-10分泌，诱导血红素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)的表达[24-25]。HO-1通过Keap1途径结合、调节各种血红素基团中的铁[24]。Keap1途径的激活会抑制转录因子E2相关因子-2(nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2)的表达[23]。Nrf2参与血红素-铁代谢的基因转录，进而抑制血红素-铁分解代谢调节，造成NOS、COS、H2O2等积累，并激活巨噬细胞中芳烃受体的转录因子和M1型Th1适应性反应，影响宿主的免疫应答，引发相关的氧化应激。此外当铁血红素被氧化时，胱硫醚β合成酶(cystathionine β-synthase，CBS)酶是完全活跃的，在转录水平上通过TLR-4信号介导的NF-κB活化、转录因子信号转导及转录激活因子家族(signal transducer and activator of transcription，STAT)，激活干扰素-γ(interferon-gamma，IFN-γ)受体下游，诱导巨噬细胞表达诱导型NOS[24-25]。

此外，缺铁缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factor，HIF)在低铁低氧条件下，可调节α亚基(HIF-α)与广泛表达的铁伴侣蛋白-PCBP家族蛋白中β亚单位形成复合物，影响细胞核调控肥胖相关基因的转录[25]。其中HIF-α异构体的激活还可触发有氧糖酵解而调节巨噬细胞的功能。铁缺乏还可通过促进NF-κB p65核转位，增加NOS、IL-1β、IL-6、12和TNF-α的表达，从而促进内毒素诱导的促炎反应[24]。而炎症反应可产生如脂质运载蛋白-2(lipocalin-2，LCN2)的蛋白质，通过螯合铁、限制致病菌对铁的利用，在先天免疫中发挥作用，还可下调铁蛋白，引发肥胖[22]。

3钙缺乏与儿童肥胖

3.1钙缺乏与儿童肥胖的关系

肥胖者体内脂肪细胞中钙蓄积，增加脂肪酸合成酶活性，降低解偶联蛋白表达，致使脂质合成增加，产热减少，进而直接增加体脂。血清钙的减少通过影响糖代谢间接促发儿童肥胖。

Nappo等[26]在一个大的欧洲儿童和青少年队列中通过评估膳食总钙和人体体质指数之间的关系，认为在基线水平上，总钙摄入量与BMI呈反比关系。Suhett等[27]通过对巴西某市区内350例8～9岁儿童调查，认为低钙摄入与儿童腹部过度肥胖有关，监测足够的钙摄入量至关重要。Fayet-Moore等[28]对2007年澳大利亚全国儿童营养和身体活动调查(2～16岁，n=4 487)的两个24小时回忆数据进行了二次分析，发现钙摄入量高的人，总脂肪摄入量显著降低，超重发生率也降低。Li等[29]系统检索了四个数据库中1994—2016年发表的钙与体重变化的相关研究，发现儿童、青少年超重或肥胖者钙补充量与体重变化呈负相关。Koziol-Kozakowska等[30]观察到在105名7～15岁的儿童中，肥胖儿童钙的摄入量较低，提出对肥胖儿童的饮食治疗应该集中在高营养密度的食品上。Tong等[31]连续16周用含45%脂肪热量的高脂饲料喂养小鼠后观察到，在饮食诱导的肥胖症的细胞代偿反应中，血清钙的缺乏起着关键性作用。以上数据均支持低钙与儿童肥胖密切相关，认为肥胖儿童应早期补充相应钙剂。

3.2钙缺乏引发儿童肥胖可能的作用机制

Ca2+水平或亚细胞Ca2+信号通路的改变介导脂肪细胞中多个非选择性阳离子通道家族-瞬态受体电位(transient receptor potential，TRP)通道，调控包括白色脂肪组织的分化、成熟和棕色脂肪组织的热生成，调节脂质代谢、分化及基因调控。如trpc6介导肌动蛋白细胞骨架重组(pak，rac1和cofilin)相关蛋白质的磷酸化、胰岛素信号蛋白(如Akt，又称 PKB，protein kinase B，是一种丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白激酶)的表达[32]，参与葡萄糖运输的胰岛素调节，在肥胖中扮演着重要的角色。Ca2+通过影响细胞膜及细胞器上TRP，引发一系列变化，如Ca2+激活钙调素蛋白激酶(calcium-calmodulin-dependent protein kinases，CaMK)直接磷酸化并激活许多重要反应，包括促炎信号分子JNK和p38，激活蛋白激酶及转录等，推动包括过氧化物酶体增殖蛋白激活受体γ、pgc+1α等在内的炎症基因表达，促进脂肪细胞的氧化代谢和呼吸[33]。脂联素对抗高脂肪肥胖及空腹血糖升高，脂肪细胞内Ca2+抑制脂联素的生成，钙感受器诱导自噬体的形成及TNF-α、IL-6、IL-1β、趋化因子(如C-C motif chemokine ligand 2，CCL2)等促炎因子的产生[34]，调节L-色氨酸(L-tryptophan，L-trp)介导的葡聚糖类肽分泌等致炎症和脂肪功能障碍[35]。抵抗素为一种富含半胱氨酸的激素，可导致胰岛素抵抗和脂质代谢失调，Ca2+减少时通过活化Nfatc机制增加抵抗素的表达，并增强抵抗素信号通路下游靶点AMP依赖的蛋白激酶[adenosine 5′-monophosphate(AMP)-dependent protein kinase，AMPK]的活性[36]。线粒体内Ca2+吸收或氧化磷酸化呼吸链，将线粒体能量转化为热量，引发肥胖和胰岛素抵抗[35-36]。

综上所述，元素锌、铁、钙缺乏与儿童肥胖密切相关，本文从肥胖方面论述了元素锌、铁、钙缺乏与儿童肥胖的最新研究进展。多项研究表明，平衡元素对于维持机体正常的氧化应激、免疫、基因等多个方面的稳定至关重要。因此儿童体内元素应被视为潜在的临床治疗及临床健康状况的评估指标，在对儿童肥胖的早期预防及诊治、避免成人期患肥胖及相关疾病的风险、提高儿童及成人生活质量等方面都是具有极大意义的。