Мари С. Голуб

Отдел за мозъчен ум и поведение, Национален изследователски център за примати в Калифорния, Калифорнийски университет, Дейвис

Резюме

Неотдавнашни проучвания на ефектите от дефицита на желязо при развитието и желязодефицитната анемия при нечовешките примати дадоха нови прозрения за този широко разпространен и добре признат хранителен дефицит при хората. Маймуната резус е животинският модел в тези експерименти, който използва обширни хематологични и поведенчески оценки в допълнение към неинвазивните мозъчни мерки. Две важни констатации са (1) различни поведенчески последици в зависимост от времето на дефицита на желязо спрямо етапите на мозъчно развитие и (2) възможността за дълготрайни промени в регулаторните системи на мозъка. Продължава по-нататъшната работа по този модел, включително интеграция с изследвания върху хора и лабораторни гризачи.

Въведение

По време на развитието желязодефицитната анемия (IDA) е призната за сериозно детско разстройство както в детската медицина, така и в международната арена на общественото здраве. Най-високите нива на IDA се наблюдават през два важни периода за развитието на мозъка, третия триместър и първите пет години от живота. От особена загриженост са когнитивните, двигателните и афективно-емоционалните дефицити, демонстрирани в изследователски проучвания на IDA за кърмачета и постоянството на някои от тези дефицити след корекция на хематологичните аномалии. Въпреки това, на някои въпроси е трудно да се отговори в рамките на етичните ограничения на човешките изследвания и сложната среда на популациите в неравностойно положение. Кои възрасти и мозъчни процеси са най-чувствителни към дефицита на желязо? Какви са дългосрочните последици, независимо от свързаните хранителни и социални фактори? Моделите на животни са ценни за отговора на тези въпроси. През последните 8 години съвместен проект за развитие на дефицит на желязо се опитва да интегрира информация от човешки популации и животински модели (1, 2). Някои открития от нечовешки модели на примати, използвани в този проект, са описани по-долу.

Нечовешки модел на примати за дефицит на желязо в развитието

Маймуната резус, най-често използваният лабораторен нечовешки примат, изглежда предлага добър модел на дефицит на желязо в развитието. Маймуните резус са били широко използвани като модели за човешки бебета за изследване на усвояването и задържането на желязо от адаптирано мляко по време на ранна детска възраст (3-11). Съдържанието на желязо в майчиното мляко резус е характеризирано (12), изследвана е онтогенезата на хематопоезата (13) и са налични хематологични референтни граници (14). Еволюционните съображения също посочват стойността на нечовешките модели на примати при изучаването на дефицита на желязо като човешки биомедицински модел (13, 15–21).

Лабораторните нечовешки популации на примати са подобни на човешките популации в генетична хетерогенност, многократни последователни бременности с едно поколение и продължителен младежки етап на развитие. Много рискови фактори, за които е известно, че допринасят за гестационния и бебешкия дефицит на желязо в човешките популации, също присъстват в маймунските колонии. Те включват хронична инфекция, генетични нарушения на усвояването и транспорта на желязо, железни лиганди в диетата, които възпрепятстват усвояването, излагане на замърсители на околната среда като олово, юношеска бременност и многоплодна бременност на кратки интервали в допълнение към неадекватното желязо в диетата. В колониите на маймуни резус е установено високо разпространение на анемия в късните детски и юношески период, както е при хората (22–24). Бебетата на майки с лош предконцептуален железен статус са изложени на по-голям риск (25).

Това прави възможно успоредно изследване на хора чрез идентифициране и оценка на маймуни, които са развили IDA без никакви намеси (натуралистичен модел) (Таблица 1). Друг подход е да се предизвика IDA или дефицит на желязо (ID) експериментално чрез хранителна депривация на желязо в определени периоди от развитието на мозъка (модел на лишаване от диета). Преди описаната тук работа е имало само едно проучване, използващо модел на лишаване от хранене (26) за изследване на дефицит на желязо в развитието.

маса 1

Модели за изучаване на дефицит на желязо и развитие на мозъка

HumanMonkey naturalisticMonkey диетични лишенияРоден
ID/IDAИдентифициран в рискови популации, използващи хематологични параметриИдентифициран в рискови популации, използващи хематологични параметриПредизвиква се чрез хранене с диети с ниско съдържание на желязоПредизвиква се чрез хранене с диети с ниско съдържание на желязо

Съдържанието на желязо в диетите, хранени с лабораторни нечовешки примати, трябва да се вземе предвид при планирането и тълкуването на проучвания на желязодефицитна анемия при нечовешки примати. В повечето колонии, поддържани за изследване, маймуните се хранят с диетични хранителни продукти, обогатени с желязо. Желязото в тези диети може да бъде естествена съставка на диетичните компоненти, може да бъде свързано с минерални добавки или може да бъде добавено като желязна сол. Препоръчителното диетично съдържание на желязо за маймуни в момента е 100 mg Fe/kg диета (27). Това може да се сравни с изчисленото съдържание на диета при хора от 16 mg Fe/kg диета. През последните години обаче съдържанието на желязо в търговските диети на маймуни се е увеличило до над 300 mg Fe/kg диета, което усложнява изследователската среда за този тип проучвания.

Индуцирано от диета лишаване от желязо в специфични периоди от развитието на мозъка при маймуни резус

Има аспекти на мозъчното развитие при видовете примати, които говорят за стойността на нечовешките модели на примати, за да се разбере как дефицитът на желязо влияе на конкретни периоди от развитието на мозъка:

Приматите се подлагат на продължителен фетален период, компрометирайки 2-ри и 3-ти триместър, и по това време инициират скок на растежа на мозъка си. Дефицитът на желязо, настъпил през втория и тримесечието на тримесечието при хората, може да бъде адекватно проучен само в модел с подобен времеви ход на удължено мозъчно развитие на матката. Нечовешките примати и морски свинчета са основните лабораторни животински модели с тази характеристика (28).

Миелинизацията/синаптогенезата е по-обширна и продължителна и по-зависима от майчината система при приматите. Церебралната миелинизация започва вътреутробно и достига върхове в началото на лактацията при човешки бебета (29). При предкоциалните животни миелинизацията започва след раждането и достига своя връх около времето на отбиването (30).

Разширяването на мозъчната кора и установяването на интракортикална и кортикално-подкорова комуникация е важен късен етап от развитието на човешкия мозък, който се проявява в ранна детска възраст и е по-добре представен при нечовешките примати, отколкото при други бозайници, поради много по-голямото количество мозъчна кора при приматите ( 31).

Един от най-подходящите нечовешки модели на примати за изследване на дефицит на желязо е плодът от третия триместър. Желязодефицитната анемия (IDA) е относително често срещана през третия триместър на бременността при хората. Световната здравна организация съобщава за световна честота от 41,8% (32) въз основа на данни от 1995 до 2003 г. Честотата сред общото население на САЩ не е налична, но системата за наблюдение на храненето при бременност на CDC за жени, участващи в програми за обществено здраве в САЩ, отчита честота от 33,5% при бременни жени, които влизат в програмата през третия триместър (33). Моделът резус маймуна предлага възможност за оценка на последиците от 3-ти триместър IDA върху развитието на мозъка на плода при контролирани условия. За да се постигне това, е необходимо точно контролирано диетично съдържание на желязо и това се постига чрез използване на пречистени диети.

Такива контролирани експерименти показват, че когато маймуните резус се хранят с 1/10 от препоръчителния дневен прием на желязо, започвайки при откриване на бременност (гестационен ден 28–30), те развиват ИД до 2-ри триместър и анемия до третия триместър (гестационен ден 150 ) (34). Въпреки че диетата им е оптимална за всички други хранителни вещества, към третия триместър 79% от лишените от желязо язовири (в сравнение с 29% от маймуните, хранени с адекватна диета с желязо) имат концентрация на хемоглобин Фигура 1). Както е описано по-горе, анемията с дефицит на желязо се открива при бременните язовири през третия триместър и се наблюдава компрометиран статус на желязо при недоносените деца, лишени от желязо при раждането, но не се наблюдава дефицит на желязо нито при пренаталните, нито при постнаталните деца, лишени от желязо по време на период на оценка на поведението на бебето (на възраст от един до три месеца). Нито пренаталното, нито постнаталното лишаване от желязо водят до значително забавяне на растежа. Пренатално лишените бебета обаче демонстрират 20% намалено ниво на спонтанна активност през деня и майките, лишени от раждане, спят повече през нощта. Що се отнася до двигателното развитие, брутните и фините двигателни способности, нарушени при анемични човешки бебета (35), не бяха засегнати при тестване.

проучвания

Дизайн на експерименти с лишаване от диета.

Бяха оценени и емоционалната реакция и ранните когнитивни способности. Кърмачетата, лишени от желязо през тримесечието, са имали по-нисък инхибиторен отговор към нови среди и повече промени от едно поведение към друго в седмичните сесии за наблюдение. Бебетата, лишени през първите 3 месеца от живота, демонстрираха по-лошо изпълнение на задачата за концепция на обект и по-голяма емоционалност спрямо контролите в седмичните сесии за наблюдение. Това проучване показва, че различни синдроми на поведенчески ефекти при бебета са свързани с пренатална и постнатална депривация на желязо при кърмачета резус и че тези ефекти могат да възникнат при липса на съпътстващ дефицит на желязо, както е отразено в хематологичните мерки. При хората е вероятно пренаталното и постнаталното лишаване от желязо да бъдат свързани за дадено бебе. Пренаталното лишаване от желязо обаче може да възникне в ситуацията, когато бебето на анемична майка е хранено с обогатена с желязо формула от раждането. Лишаване от желязо след раждането може да възникне, ако майката не е имала дефицит на желязо по време на бременност, но майчиното мляко или адаптираното мляко са били с дефицит на желязо или абсорбцията на желязо на бебето е била нарушена.

Афективни/емоционални характеристики на анемични бебета на маймуни от натуралистичен модел

Тъй като всички язовири в проучването ядат една и съща диета с високо съдържание на желязо, източникът на дефицит на желязо и неговата връзка с други фактори на околната среда и биологичните фактори не са известни. Въпреки това, в проучването, използващо модела на лишаване от хранене (43), се наблюдава подобен модел на притъпен афект в отговор на нова среда на възраст 3–4 месеца при бебета, лишени от желязо по време на тримесечието. Тези открития предполагат, че дефицитът на желязо може да допринесе за детски поведенчески разстройства с афективни/емоционални симптоми (44–47).

Дългосрочни последици от развитието на дефицит на желязо при млади маймуни: Когнитивно тестване

Доказано е, че осигуряването на добавки с желязо за анемични бебета подобрява тяхното поведенческо функциониране. Въпросът дали се постига пълно обръщане на мозъчните въздействия чрез добавки е важен и се оказва противоречив (2, 48-50). Нечовешките модели на примати предоставят ценна възможност за оценка на този проблем при контролирани условия.

Важно е да се отбележи, че тестовете при хора не оценяват научаването ново по време на поредица от опити, а са по-скоро единична оценка на функцията, която представлява кумулативния опит и придобитите способности на бебето/детето. Това предполага, че различни аспекти на изпълнителната функция, а не основната способност за учене, трябва да бъдат директно оценени при по-точно паралелни изследвания върху хора. За тази цел настоящите тестове в модела на лишаване от диета се фокусират върху синдрома на поведенческото инхибиране.

Предишният дефицит на желязо променя ли мозъка на младите маймуни?

Обширни хистологични и биохимични проучвания при гризачи демонстрират, че недостигът на желязо в храната може да повлияе на метаболизма на моноаминовия предавател, медиацията и нервната функция в мозъчни области като стриатум и хипокампус (1, 2). При хората неинвазивните електрофизиологични мерки като слухови и зрително предизвикани потенциали и модели на сън са били ефективни при откриване на ID ефекти както по време на ID, така и при по-късно проследяване след възстановяване (53). При нечовешките примати изображенията и електрофизиологията започват да се използват в проучвания за идентификация. Ограничените морфометрични проучвания не установяват дългосрочен ефект върху обема на кората или върху съотношението на бялото вещество/сивото вещество, измерено чрез ЯМР на 12-месечна възраст при бебета, лишени от хранително желязо преди и след раждането (52). Също така не е открит ефект върху скоростта на нервна проводимост на слуховия мозъчен ствол (ABR) на 1 или 8-месечна възраст (52). По-бавните ABR латентности могат да отразяват забавена миелинизация. В момента се провеждат по-обширни и целенасочени оценки от този тип.

Допълнителна информация за дългосрочните промени в съответната регулация на желязото в мозъка идва от проучвания на протеини в CSF на маймуни, които са се възстановили от IDA. Пробите от CSF са от кърмачета, идентифицирани като IDA на възраст 4-6 месеца, някои от които са пълни с желязо и всички са възстановили нормалните хематологични параметри по време на вземането на проби от CSF на 12-месечна възраст. Протеините се разделят чрез електрофореза в полиакриламиден гел и се идентифицират чрез MALDI-TOF. Дванадесет протеина бяха идентифицирани като двойно различни в експресията между контролите и по-рано IDA бебета. Тези протеини представляват набор от биологични функции и увеличават възможността за идентифициране на маркери в ликвора, които отразяват история на дефицит на желязо по време на мозъчното развитие и/или отразяват системи, трайно променени от дефицита. Въпреки че не показват двукратен диференциал, три регулаторни протеина на желязо в CSF са количествено определени чрез денситометрия. Трансферинът и DMT-1 са били повишени, докато H-феритинът е бил по-нисък при предишните бебета IDA. Те предполагат постоянни промени в регулирането на желязото в мозъка, инициирани от по-ранната IDA.

Обобщение

Тези неотдавнашни проучвания за лишаване от желязо и развитие на мозъка при нечовешки примати разкриха някои ценни нови открития:

Лишаването от желязо по време на бременност, усложнено от всеки друг хранителен дефицит, води до тримесечна анемия при маймуни

Пренаталното (3d триместър) и постнаталното (първите 3 месеца от живота) лишаване от желязо водят до различни поведенчески синдроми при младежки маймуни.

Поведенчески последици от пренаталното и постнаталното лишаване от желязо се появяват, дори ако бебетата не показват дефицит на желязо или анемия след раждането

Пренаталната анемия (3d триместър) води до неразпознат по-рано синдром на намалено поведенческо инхибиране при кърмачета и младежи.

Системите за регулиране на желязото в мозъка могат да бъдат повлияни за известно време след корекция на дефицита на желязо в развитието, както е отразено в хематологичните променливи.

Интегрирането на тези открития с проучвания върху хора и гризачи за развитие на дефицит на желязо ще бъде ценно при планирането на стратегии за защита на нарастващия мозък от този често срещан хранителен дефицит.