Katarzyna Kordas, Rebecca J. Stoltzfus, Нови доказателства за взаимодействието на желязото и цинка в ентероцитните и невронните тъкани, The Journal of Nutrition, том 134, брой 6, юни 2004 г., страници 1295–1298, https://doi.org/10.1093 /jn/134.6.1295

взаимодействието

РЕЗЮМЕ

Тъй като комбинираните режими на добавяне на желязо-цинк се използват все по-често в полеви изпитания за борба със съпътстващи дефицити на желязо и цинк, нараства опасението за потенциални антагонизми между тези 2 метала. Няколко проучвания за добавки намекваха за подобна конкуренция и чревният двувалентен метален транспортер-1 (DMT1) често се цитира като възможно място за появата му. Обобщаваме нови доказателства, които показват, че въпреки че желязото изглежда намалява абсорбцията на цинк, DMT1 е малко вероятно място за този абсорбционен антагонизъм поради факта, че цинкът не се транспортира от DMT1. Ние също така предлагаме промяна в мисленето за взаимодействията желязо-цинк от нивото на ентероцитите към други места/системи в тялото, които могат да бъдат еднакво подходящи за резултата и интерпретацията на опитите за добавки. Представяме преглед на усвояването и функционирането на желязото и цинка в нервната тъкан като един пример за възможни взаимодействия.

Все по-често се признава, че недостигът на желязо и цинк се среща заедно в различни популации и може да се наложи да се разрешава едновременно. Като едно решение е предложено комбинирано лечение с желязо и цинк. Въпреки това, метаболитните проучвания и изпитванията за добавки предполагат антагонистична връзка между желязото и цинка, при която цинкът намалява положителните ефекти на добавките с желязо и обратно. Например, когато се дава на възрастни в разтвор в съотношения> 2: 1, се установява, че неорганичното желязо се конкурира за усвояване с цинк (1). Абсорбцията на цинк при бременни перуански жени на гладно, приемащи Fe 1 или Fe + Zn, е значително намалена в сравнение с недопълнените жени (2) (фиг. 1А). При жените, приемащи само Fe, плазмените концентрации на цинк също са по-ниски в сравнение с контролите. И обратно, имаше по-малки подобрения в концентрациите на хемоглобин и серумен феритин при индонезийски деца, на които се прилагат Fe и Zn, отколкото при деца, дадени само с Fe (фиг. 1Б) (3, 4).

Желязо, цинк и DMT1.

Изследванията на конкуренцията на желязо и цинк при DMT1 използват модела Caco-2, получен от клетки на човешки карцином на дебелото черво. Линията Caco-2 е добър модел за изследване на хомеостазата на желязото и регулиране на абсорбцията на Fe и Zn, тъй като е подобна на човешките ентероцити в маркери за диференциация и дава резултати за абсорбция, сравними с тези от проучвания при хора (7).

Трябва да се разграничат две понятия при тълкуване на проучванията за чревна абсорбция. Апикалното поемане се отнася до пренасяне на метали през апикалната мембрана на ентероцита от чревния лумен до цитоплазмата. В случая на желязо това се постига чрез DMT1 (фиг. 2). Трансепителният транспорт се отнася до прехвърлянето на метали през базолатералната мембрана, за да бъдат взети и разпределени от разтворими транспортери. Трансепителният транспорт на Fe включва регулирания с желязо транспортер (IREG1, известен също като феропортин) и хефестин протеини и може да бъде измерен количествено чрез измерване на металните концентрации в базолатералната инкубационна среда.

Механизми, участващи в транспорта на желязо и цинк от ентероцита.

Механизми, участващи в транспорта на желязо и цинк от ентероцита.

Доказателство, че Fe инхибира поемането на Zn, но Zn не се транспортира от DMT1.

Едно проучване изследва апикалното поглъщане и трансепителния транспорт на радиомаркиран цинк (20 μmol/L 65 Zn +2) или желязо (20 μmol/L 55 Fe +2) от Caco-2 клетки, в присъствието на излишък от желязо (200 μmol/L Fe +2) (8). Експериментът също е проведен или в присъствието, или в отсъствието на фетален говежди серум в инкубационната среда, за да се определи дали той повлиява генната експресия и засяга металния транспорт. Апикалното поглъщане на 65 Zn +2 е значително намалено в присъствието на желязо и серум, което предполага, че Fe пречи на абсорбцията на Zn. Абсорбцията на 55 Fe +2 също е намалена от излишък на желязо, както в присъствието, така и в отсъствието на серум. Само при липса на серум обаче намаляването на абсорбцията на Fe е свързано с намаляване на експресията на DMT1.

Това проучване предполага, че поглъщането на Zn може да е независимо от механизма DMT1. Намаляването на поглъщането на цинк не е настъпило при липса на серум, което е важно, тъй като само в негово отсъствие експресията на DMT1 е била понижена. Ако цинкът разчита на DMT1 да влезе в клетката, неговата абсорбция трябва да е намаляла при липса на серум, заедно с намаляването на експресията на DMT1. Това проучване обаче не е манипулирало директно DMT1. Или нокаут или свръхекспресия на транспортера биха предоставили по-директни доказателства относно това дали цинкът навлиза в клетката чрез DMT1 или се конкурира с желязото за усвояване.

Ямаджи и др. (9) изследва абсорбцията на желязо (1 μmol/L 55 Fe +2) в присъствието на 100 μmol излишен цинк и абсорбцията на цинк (1 μmol/L 65 Zn +2) в присъствието на 100 μmol/L желязо . Въпреки че Fe значително инхибира усвояването на Zn, обратното не е вярно. Изследването също така оценява ефектите на добавките с желязо и цинк върху иРНК и експресия на DMT1 и IREG1 и върху абсорбцията на метали. Натоварването с желязо намалява експресията на DMT1 и намалява последващото усвояване на Fe, но не влияе върху абсорбцията на цинк. Обратно, клетъчното натоварване с цинк повишава нивата и експресията на DMT1 иРНК, увеличава абсорбцията на Fe, увеличава експресията на IREG1, но не променя абсорбцията на Zn.

Доказателство, че Zn не намалява абсорбцията на Fe.

Оптималната функция на DMT1 в клетките Caco-2 зависи от pH. По-ниското рН подобрява неговите йон-транспортни свойства, докато по-високото рН компрометира неговата функционална цялост. При pH 7.4 излишъкът на цинк (моларно съотношение 500: 1) намалява поемането на 55 Fe +2 с 67% в сравнение с контролите (10). При киселинни условия (рН 5,5) обаче цинкът не пречи на усвояването на желязо. Намаляването на абсорбцията на желязо от цинк при неутрално, но не киселинно рН, предполага, че при условия, благоприятни за функционирането на DMT1, желязото се абсорбира без значителна конкуренция от цинк, дори при много високи съотношения Zn: Fe.

И накрая, Tandy et al. (11) повдигна Caco-2 клетки в добавена с желязо среда. След 5 дни при тези условия те откриват 56% намаляване на експресията на DMT1, по-ниски нива на DMT1 иРНК и 30% намаляване на усвояването на желязо в сравнение с клетките, отглеждани в контролна среда. Промените в експресията на DMT1 обаче не повлияват поемането на цинк. В отделен експеримент 1 μmol/L 55 Fe +2 се инкубира със 100 пъти излишен цинк, но не се наблюдава значително намаляване на абсорбцията на желязо. Тъй като се смята, че поглъщането на метали от DMT1 зависи от потенциала на клетъчната мембрана, авторите използват високи разтвори на K + за деполяризация на клетките и демонстрират последващо намаляване на поемането на Fe (42%) без промени в абсорбцията на Zn. Нарушаването на функцията на DMT1 даде сериозни доказателства, че цинкът не зависи от този транспортер, за да влезе в чревните клетки и е малко вероятно да се конкурира с желязото за усвояване на това място.

Свързване на нови доказателства със съществуващите знания.

Основното проучване на Gunshin и колеги (6) демонстрира афинитета на DMT1 към желязото и други двувалентни метали. Ооцитите на жабите бяха перфузирани с разтвори, съдържащи различни двувалентни катиони, и токовете, предизвикани от тези метали, бяха записани. Подобно на желязото, цинкът произвежда големи вътрешни токове в ооцитите, експресиращи DMT1, и това беше цитирано като доказателство, че цинкът, подобно на желязото, използва DMT1 за клетъчен транспорт. Този метод обаче не демонстрира пряко, че даден метал е погълнат от DMT1 (11); действителният транспорт на Zn през апикалната мембрана не е измерен в изследването на Gunshin et al. (6). Наскоро абсорбцията на 65 Zn +2 беше сравнена в жабни ооцити, инжектирани с DMT1 и контроли (12). Нито една от групите не е показала значително усвояване на цинк, което предполага, че DMT1 не транспортира цинк.

В подкрепа на този аргумент наскоро беше идентифицирано семейство човешки чревни транспортери Zn (ZIP), което предполага отделни механизми за усвояване на желязо и цинк. Два такива цинкови транспортера, hZIP1 и hZIP2, се експресират в различни тъкани на тялото, но не се смята, че участват в транспорта на желязо (13). Друг ZIP протеин, hZIP4, експресиран върху апикалната мембрана на ентероцитите, е дефектен при acrodermatitis enteropathica и се регулира от хранителния цинк, но отново не участва в усвояването на желязо (14, 15).

Въз основа на събраните до момента доказателства може да се изгради модел на вероятната връзка между желязото и цинка. Въпреки че имаме доказателства, че Fe се намесва в усвояването на Zn, ние нямаме доказателства, че Zn се намесва в усвояването на Fe. Освен това, горните проучвания оспорват зависимостта на цинка от DMT1 за транспортиране в клетките и физиологичната основа за абсорбираща конкуренция между желязото и цинка, поне на това конкретно място.

Трябва обаче да бъдем предпазливи при тълкуването на изследванията на клетъчните култури. Възможно е in vitro модел на абсорбция на Fe и Zn да не може лесно да се превърне в биохимични резултати от проучване на добавките и да не се постигне пряко съответствие. Една от причините е, че in vitro проучванията често използват концентрации на йони и моларни съотношения, които не са физиологично осъществими. Въпреки че абсорбцията на Zn се инхибира от желязото при съотношение 100: 1 или 500: 1 mol/L в клетките Caco-2, добавките обикновено се дават на хора в съотношения, близки до 1: 1. Освен това, ефектите и взаимодействията на микроелементи, дадени в добавка, могат да зависят от диетичния контекст. Абсорбцията на Fe и Zn се инхибира от фитат, но абсорбцията на Fe се засилва от аскорбинова киселина и цистеин. Тъй като желязото и цинкът образуват комплекси в лумена с други хранителни съставки, като карбоксилни киселини, тяхната достъпност до абсорбиращи механизми може да бъде засегната. Възможно е вместо физиологична конкуренция, проучвания за добавки да наблюдават физиохимична конкуренция между желязото и цинка (J. L. Beard, Penn State, лична комуникация).

Работата върху животински модели на абсорбция на желязо и цинк в червата може да помогне за преодоляване на разликата между проучванията in vitro и резултатите от опитите за добавки при хора. При 2 × 3 факториален дизайн прасенцата са дозирани с 2 различни концентрации на елементарен Fe (100 и 200 mg/kg) и 3 концентрации на цинков карбонат (25, 50 и 100 mg/kg) (16). Абсорбцията и задържането на 65 Zn се измерва in vivo в няколко моменти от време. Елементарното желязо, независимо от дозата, не повлиява абсорбцията на 65 Zn. Въпреки това, въпреки че абсорбцията на 65 Zn не се различава, задържането на цинк е по-ниско, когато се дава заедно с железен сулфат, поради увеличената екскреция на цинк. Тези резултати разкриват реална трудност при сравняването и интерпретирането на проучвания, които използват различни лечебни формулировки, като елементарно спрямо черното желязо. Освен това те предполагат възможността за постабсорбционна конкуренция между Fe и Zn.

Други сайтове за взаимодействие.

По-голямата част от нашето мислене за потенциалната конкуренция между Fe и Fe като възможна интерпретация на опитите за добавки се фокусира върху чревната абсорбция. Съществува обаче възможността за антагонизъм или взаимодействие между желязото и цинка на други места в тялото, тъй като локализацията на металните транспортери или функцията на микроелементите не се ограничава до чревните клетки. Няколко места на взаимодействия между Fe и Zn биха били от значение за резултатите, които най-често се оценяват в опити за добавки. Следва кратко описание на съвременните познания за функциите на Fe и Zn в мозъка. Фокусът върху нервните тъкани е от значение в светлината на нарастващия интерес към ефектите на желязото и цинка и техните недостатъци върху когнитивното и поведенческо развитие на децата. Ясна точка на физиологично взаимодействие между Fe и Zn не е идентифицирана в нервните тъкани, тъй като повечето изследвания до момента са изследвали само отделните функции на тези метали. Следователно, следното е предназначено като трамплин за преместване отвъд ентероцита при интерпретиране на резултатите от опитите за добавки.

Желязото в мозъка.

Механизмите на транспортиране на Fe в мозъка обикновено включват трансферин и трансферинови рецептори (TfR), както и DMT1 (17). Желязото в невроните се съхранява като феритин (18). Недостигът на желязо (ID) се свързва с намаляване на тъканния Fe, намален феритин и повишени концентрации на серумен трансферин и TfR (19–21) в повечето изследвани мозъчни области, независимо от неговата продължителност и времетраене. Някои мозъчни региони обаче са по-способни да съхраняват желязото, отколкото други. Механизмите на тази регулация не са ясни, но могат да зависят от разпределението на Fe рецепторите и транспортерите, както и от Fe състоянието на мозъчните тъкани.

Смята се, че ID повлиява миелинизацията, метаболизма на невротрансмитерите и Fe-съдържащите ензими [вж. (22 за преглед]. Плъхове с ID след отбиване са имали значително по-ниски концентрации или нива на активност на маркери за миелинизация, отколкото контролите (23). в съдържанието на PUFA във миелиновите фракции (21, 23). И новородената, и постнаталната идентификация при плъхове засягат нивата на D1, D2 рецепторите и допаминовия транспортер (DAT) в стриатума и префронталната кора (24, 25). Постнаталната идентификация също намалява нивата на локомоция, стереотипия и изследователска активност. По-ниските нива на D2 рецептори при ID плъхове са свързани с по-лоши поведенчески резултати. Въпреки това, поведенческите дефицити и плътности на D1 и DAT изглеждат устойчиви на лечението с Fe след ID, въпреки корекцията на анемията. Други невротрансмитери също изглеждат чувствителни до ID. Плъховете с перинатален ID са имали значително по-ниски нива на Fe в мозъка, придружени от повишени концентрации на глутамат и умерено по-високи γ-аминомаслена киселина (G ABA) (26).

Цинк в нервната система.

Концентрациите на Zn в мозъка показват регионална хетерогенност и зависимост от развитието (27). Zn в мозъка на възрастен е локализиран в хипокампалната област и мозъчната кора (28) и се намира в пресинаптичните везикули на глутаматергичните неврони. Ролята на Zn 2+ в тези неврони е противоречива, но може да включва участие в съхранението, освобождаването и усвояването на глутамат и модулация на глутаматните рецептори (29). Предложени са следните 3 вида Zn 2+ сигнали: 1) предавателни сигнали, включващи потенциали за действие, освобождаването на Zn 2+ от синаптичните везикули и свързването му с глутаматни или GABA рецептори; 2) потока на Zn 2+ в постсинаптичните неврони по време на дългосрочно потенциране (LTP); и 3) вътреклетъчно сигнализиране за секвестиране на Zn 2+ във везикули (30).

Функциите, подчинени на Zn-съдържащите неврони, и ролята на синаптично освободените Zn 2+ са неясни. Предполага се участието на везикуларен Zn в когнитивни функции като памет и учене (28). Последните проучвания на мишки с цинков транспортер3 (ZnT3) -/- показаха, че отсъствието на Zn от синаптичните везикули не засяга глутаматергичната невротрансмисия или влошава обучението или паметта (31, 32). Въпреки това, високи концентрации на Zn-изчерпващ хелатор, прилаган върху хипокампални филийки, блокират започването на LTP в пътя с мъхообразни влакна (MF) (33), което предполага, че Zn повишава синаптичната сила.

Желязо и цинк в мозъка.

Изследванията на взаимодействията на Fe и Zn в нервните тъкани са оскъдни. Едно проучване изследва разпределението на феритин в хипокампалния регион (глиални клетки на MF системата) при плъхове с ID след отбиване. Оценяват се и ефектите от 4-седмично лечение с Fe и/или Zn върху невротрансмисията (34). ID забави развитието на феритин-съдържащи клетки в този регион. Въпреки че Fe или Zn сами по себе си не са били ефективни за увеличаване на броя на съдържащите феритин MF клетки, плъховете, прилагани Fe + Zn, са имали значително по-голям брой от тези клетки от всички други третирани групи (с изключение на контролираните с двойки). Смята се, че MF на хипокампуса участва в LTP, електрофизиологичен модел на паметта и ученето. По този начин, проучванията, показващи ефектите на ID и ефективността на комбинираното лечение с Fe + Zn върху анатомията на хипокампата, са особено важни. Това проучване предполага биологична (статус на микроелементи) взаимозависимост между желязото и цинка в мозъка. Изясняването на механизмите, лежащи в основата на тази зависимост, е от решаващо значение за нашето разбиране на последиците от дефицитите на Fe и Zn върху развитието на мозъка. Бъдещите изследвания в тази област в идеалния случай ще включват функционални оценки, включително зависими от хипокампус когнитивни задачи и индукция на LTP.

В заключение, молекулярната основа за разбирането на взаимодействията Fe-Zn е все по-важна, тъй като дефицитите на тези микроелементи често се срещат заедно и комбинираното лечение с Fe и Zn може да бъде едно от решенията на този проблем. Предишни проучвания демонстрират антагонизъм между Fe и Zn, като посочват като основа абсорбираща конкуренция между 2-те метала в DMT1. Последните доказателства обаче не подкрепят това обяснение. Тези проучвания поддържат идеята, че Fe нарушава абсорбцията на Zn, а не обратно, но също така показват, че DMT1 не е основният чревен транспортер на цинк. Това не урежда дебата относно съществуването на абсорбиращ антагонизъм между Fe и Zn. Все пак предполага, че DMT1 е малко вероятно място за това състезание.

По отношение на взаимодействията на Fe и Zn в невронните тъкани всъщност съществуват много малко изследвания, изследващи комбинираните роли на желязото и цинка или техните дефицити върху когнитивните функции или мозъчната химия и липсата им е поразителна. Необходимо е последователно изследване на ефектите от времето, продължителността, тежестта и обратимостта на тези недостатъци върху неврохимията и познанието. Освен това, за да се свържат биологичните и функционалните ефекти на дефицитите на Fe и Zn, в допълнение към биохимичните мерки, бъдещите проучвания в идеалния случай трябва да включват теоретично обосновани поведенчески оценки, свързани със специфични мозъчни региони от интерес.