铁缺乏与骨量

铁缺乏可影响机体部分正常功能。但是，当血液中的铁离子超出转铁蛋白结合能力时，未被转铁蛋白结合的游离铁就会沉积于组织中形成“铁过载”，其可抑制成骨细胞增殖、分化过程，从而影响骨代谢及骨量的形成。但铁缺乏亦会对成骨细胞、破骨细胞的功能产生影响，从而引起骨代谢异常，导致骨矿化减少，骨吸收增加，骨量减少，最终导致骨质疏松的发生。因此，维持机体内铁代谢平衡（铁稳态）具有重要的意义。

2.1 铁缺乏在细胞层面对骨量的影响

在细胞生长过程中，铁作为重要的微量元素，在细胞的增殖和分化过程中都起着重要作用。而成骨细胞作为骨形成过程中的一种重要细胞，不仅可合成和分泌骨基质中的有机成分，还能引起骨质矿化和调节细胞外液与骨液间电解质的流动作用，即成骨细胞摄取离子钙，同时摄取等量的磷酸根，两者按一定比例被转入细胞器（主要在线粒体）中，在碱性磷酸酶的作用下合成磷酸钙；之后成骨细胞内合成的磷酸钙被分泌出细胞，进入骨基质，以游离磷酸钙的形式或以羟磷灰石形式沉积在骨胶原纤维的空隙中。

2003年，González Suárez I等用去铁胺和去铁酮干预成骨细胞，研究对1，25-（OH）维生素D3刺激的MG-63细胞骨钙素分泌的影响。结果发现，去铁胺和去铁酮在高剂量（去铁胺：60μmol/L，80μmol/L；去铁酮：180μmol/L，240μmol/L）可抑制1，25-（OH）维生素D3引起的骨钙素分泌；而在低剂量（去铁胺5μmol/L；去铁酮15μmol/L）则刺激骨钙素的分泌。研究结果提示，铁被过量地螯合会对成骨细胞产生抑制作用。2006年，Mardi等以铁螯合干预体外培养成骨细胞，亦发现矿化受到抑制，而没有影响Ⅰ型胶原的沉积。

2010年，Jonathan G等运用铁螯合剂去铁胺干预胎鼠头盖骨源性成骨细胞的分化，测量铁调节基因和蛋白表达，并测定成骨细胞相关分化基因，评估DFOM对成骨细胞分化过程的影响。在分化早期、分化晚期和分化整个过程分别加入0～8μmol/L去铁胺，测量转铁蛋白受体和铁蛋白轻链与重链蛋白表达的改变。结果表明，8μmol/L去铁胺干预整个分化过程，可以改变铁调节基因和蛋白质，并且下调成骨细胞分化成熟基因，尤其是骨钙素。此外，碱性磷酸酶活性和矿化面积明显降低。这种效应在早期干预也有相似结果，而在分化晚期干预并不影响。结果提示，铁对成骨细胞分化非常重要，在早期分化中的作用更加明显。

上述细胞体外培养研究结果提示，当铁被过量螯合后（造成铁缺乏环境），成骨细胞的功能（细胞增殖、细胞矿化、骨钙素分泌等）受到抑制，说明成骨细胞的成骨功能与足量的铁密切相关。因此，铁缺乏抑制成骨细胞功能，可能是引起相应骨代谢异常、骨量减少的基础原因。

2.2 铁缺乏在动物水平对骨量的影响

在离体细胞培养实验中，铁缺乏可抑制成骨细胞的生物功能，那么在动物模型中铁缺乏对骨代谢及骨量的影响，我们可以从下列动物模型的研究中得到答案。

2003年，Denis M等给予断奶Evans大鼠不同喂食，即铁缺乏饮食、钙缺乏饮食、钙铁缺乏饮食、对照组（钙铁充足饮食），之后观察股骨和胫骨宽度。与对照组比较，三个实验组中Evans大鼠的股骨和胫骨宽度均减小，且铁缺乏组的髓腔宽度比其他三组均减小。股骨和胫骨皮质宽度在所有实验组均降低，其中钙铁缺乏组降低最明显，而对于钙和铁缺乏，无论是单一缺乏或二者同时缺乏，皮质骨面积均减小。采用双能X线骨密度仪分析表明，与对照组相比，铁缺乏组、钙缺乏组、钙铁缺乏组的骨密度均显著降低。上述研究结果表明，铁缺乏对骨骼健康存在负性影响，这种影响在钙缺乏时加剧。

同样，铁缺乏对脊椎和长骨骨小梁也有显著的影响。2004年，Denis M等通过不同饮食控制干预断奶大鼠喂养5周：对照组（推荐饮食）、钙缺乏组、铁缺乏组和配对组（铁缺乏组对照饮食）。通过股骨DEXA分析显示，与对照组、配对组比较，钙和铁缺乏组大鼠的骨质密度（BMD）和骨含量（BMC）均降低；而配对组大鼠的BMD和BMC也较对照组有下降。第三腰椎micro-CT扫描显示，与对照组、配对组比较，钙、铁饮食缺乏组大鼠的骨小梁微骨体积分数（BV/TV）和骨小梁数量及厚度均减小或减少；而对照组和配对组无差异。通过有限元分析显示，钙缺乏组和铁缺乏组大鼠的椎体压缩力和刚度低于对照组和配对组。钙缺乏组大鼠的尿脱氧吡啶诺林、血清骨钙素和二羟胆钙化醇明显高于其他组。以上研究结果表明，铁缺乏可引起骨结构改变，但没有钙缺乏的影响严重。

2006年，Katsumata等通过给予12～13周龄雄性Wistar老鼠喂食缺铁饮食4周后测量骨转换指标骨钙素，结果显示，缺铁饮食后大鼠血清骨钙素含量、骨矿含量、骨密度、股骨和机械强度均显著降低。同年，Parelman M等对断奶雌性大鼠分别给予低铁、低钙饮食喂养， 10周后测量大鼠骨骼骨矿物质含量（BMC）。结果显示，低铁饮食可引起大鼠全身骨骼BMC下降，骨密度降低，骨小梁数目减少，小梁间距增大，股骨皮质密度降低。

2010年，Lobo AR等对断奶雄性Wistar大鼠喂食低铁饮食（12mg/kg）15d，2周后以硫酸亚铁或焦磷酸铁富铁饮食（35mg/kg）喂养，测定铁指标（血红蛋白、血红蛋白铁池、血红蛋白再生效率）、胫骨矿物（钙、镁、铁、铜、锌）含量和生物力学性能。缺铁大鼠胫骨含较低的铁和镁，骨强度的水平亦有降低，骨的抗载和弹性力学与镁含量呈正相关。富铁饮食没有恢复由于缺铁所引起的胫骨镁浓度。此外，骨弹性性能的不利影响在富铁饮食后更加严重。研究结果提示，骨矿成分和骨强度受到缺铁影响，而饮食铁的增加并不能恢复胫骨镁含量和骨的抗阻力。

国内徐又佳等团队在最新的铁缺乏动物模型——wehtp85c斑马鱼（因fpn1基因突变导致FP1功能丧失，铁吸收转运障碍，体内铁缺乏形成低色素性贫血；因此，wehtp85c斑马鱼是一种稳定、组间差异小的缺铁动物模型）中研究发现，铁缺乏导致wehtp85c斑马鱼硬骨形成减少，而经注射右旋糖酐铁纠正wehtp85c斑马鱼的铁缺乏状态后，其骨形成可恢复。但铁缺乏对wehtp85c突变体斑马鱼软骨形成无明显异常，因此推测铁缺乏可能影响了成骨细胞形成骨组织的过程，从而使骨形成减少、骨量降低。

通过上述铁缺乏相关动物模型的研究我们得知，铁缺乏对骨代谢骨矿化有着负性影响，从而引起骨量减少、骨质疏松的发生。

2.3 铁缺乏对骨量影响的相关机制研究

铁缺乏在细胞及动物层面均影响着骨代谢，使骨量减少，但铁缺乏如何影响着骨量及二者之间的作用机制目前尚不明确。目前已报道的铁缺乏与骨代谢及骨量的相关机制如下：

2008年，戴克戎等研究多功能性干细胞和小鼠骨髓人类C3H10T1/2细胞，以去铁胺和骨形态发生蛋白2（BMP2）干预。在BMP2和15μmol/L去铁胺干预时，发现成骨表现的碱性磷酸酶（ALP）活性和钙沉积增加。而这一结果伴随着糖原合酶磷酸激酶3β和β-catenin蛋白的含量增加。为了研究其作用机制，进行了β-catenin的基因敲除，该基因敲除后去铁胺不能引起ALP活性的相关影响。这表明，去铁胺中通过激活β-catenin信号通路直接作用于细胞成骨分化，从而影响着骨代谢及骨量的形成。

2009年，Ishii等报道了去铁胺对破骨细胞影响的相关研究，发现铁螯合剂去铁胺可以通过抑制活性氧的产生和过氧化物酶增殖激活受体的共激活体1β（PGC-1β）的表达而抑制破骨细胞的生成，同时去铁胺还可以通过抑制破骨细胞的分化及其细胞骨架的重构活性而抑制其骨吸收能力，导致骨吸收减少，骨量增加。

国内徐又佳团队在研究铁缺乏动物模型——wehtp85c斑马鱼的骨形成中发现，铁缺乏可导致wehtp85c斑马鱼的硬骨形成相关基因runx2a、alpl、col1a1a表达量显著减少，而与软骨形成相关基因sox9b表达量无明显变化。这说明铁缺乏主要通过影响成骨细胞形成骨组织这一过程而使骨形成减少，对软骨形成无影响。为了进一步了解铁缺乏影响骨形成的分子机制，他们同时对骨形成相关的信号通路的关键因子catenin（Wnt信号通路）、BMP2a和BMP2b（BMPs信号通路）的基因表达水平进行q PCR检测。结果发现，在wehtp85c斑马鱼体内，Wnt信号通路的关键因子catenin表达水平无明显变化，而BMPs信号通路的关键因子BMP2a、BMP2b表达水平显著降低。这说明铁缺乏可能通过下调BMPs信号通路从而影响骨形成，导致骨量降低。

（赵理平）