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雌性哺乳动物泌乳期的钙代谢特点综述
发布时间:2019-10-28

  摘    要: 哺乳动物钙代谢包括钙平衡与钙稳态。钙平衡是指体内总钙含量保持相对恒定的状态,钙稳态则指细胞内外的钙离子浓度保持稳定。在哺乳动物的泌乳期,大量的钙流失到乳中,导致母体血清钙急剧下降。动物的肠道、肾脏、骨骼作为主要的钙代谢器官,将对此做出适应性改变,以维持哺乳动物在泌乳期的钙代谢稳态。哺乳动物钙代谢紊乱会严重影响母畜及幼崽的营养健康,给畜牧养殖业带来损失,因此,维持钙代谢稳态对泌乳期哺乳动物尤为重要。本文综合近年来国内外哺乳动物钙代谢相关研究,从哺乳动物泌乳期不同器官钙代谢适应性改变、血清钙和血清磷等矿物质以及钙调节因子的变化及进行综述,旨在为泌乳期哺乳动物钙代谢调控的相关研究提供思路。

  关键词: 哺乳动物; 泌乳期; 钙; 钙代谢;

  Abstract: Calcium metabolism in mammals is the coordination between calcium balance andcalcium homeostasis. Calcium balance depends on constant calcium content in bone calcium pool, and calcium homeostasis represents the homeostasis of ionized calcium between intracellular and extracellular. During lactation of mammals, a lot of calcium in maternal was lost into milk which results in a sharp drop in serum calcium of female animal. The animal's intestine, kidney and bone as the main calcium metabolism organs will make adaptive changes to maintain the calcium balance during lactation period. Calcium metabolism disorders of mammal will affect nutrition and health of female animal and newborn seriously, causing losses to the animal husbandry industry. Therefore, maintaining calcium balance is particularly important for lactating mammals. In this paper, the adaptive changes of calcium metabolism in different organs of mammals during lactation, the changes of serum calcium, phosphorus and other calcium minerals were reviewed as well as some calcium regulatory factors. The aim of this paper is to provide ideas for the related research of calcium metabolism regulation of mammals during lactation.

  Keyword: Mammals; Lactation period; Calcium; Calcium metabolism;

  钙是动物体内含量最多、最重要的矿物元素之一,具有构成骨骼和牙齿、维持肌肉和神经兴奋性、参与血液凝固、维持细胞正常生命活动等作用[1]。动物体内的钙约有99%以羟基磷酸盐的形式存在于骨骼中,其余的1%则以结合态或游离态分布于软组织、细胞外液和血液中[2]。尽管这部分钙所占比例很小,却是维持机体正常生理状态所必需的,如细胞内钙离子浓度过高与II型糖尿病[3]和高血压[4]的发生紧密相关;血液钙浓度的过高或过低都将引起高/低钙血症。

  雌性哺乳动物在生殖周期中需要不断适应钙代谢的变化,不同生理阶段的雌性动物体内钙代谢调控存在很大差异。在雌性动物的泌乳时期,乳腺组织中会聚集大量钙,之后随乳汁排出以供给幼崽生长发育。动物的肠道、肾脏、骨骼作为维持动物体内钙平衡与钙稳态的重要场所,将对这一时期钙需求的急剧增加做出适应性改变。此外,泌乳期雌性动物血清中对钙代谢起重要调节作用的钙调节因子(磷、镁等矿物质以及甲状旁腺激素、甲状旁腺相关蛋白、骨化三醇和降钙素等)水平都受到泌乳影响,并随泌乳进程改变。因此,这一时期雌性动物体内的钙代谢平衡极易发生紊乱,从而诱发母畜的酮病、胎衣不下、长卧不起、代谢性碱中毒等疾病,造成产奶量降低、乳品质下降、产后瘫痪甚至死亡,对畜牧产业造成重大损失[5]。本文就泌乳期哺乳动物机体主要钙代谢器官的适应性改变及这一时期动物血清钙、血清磷及各类钙调节因子含量的变化进行综述,旨在为泌乳期哺乳动物钙代谢调控的相关研究提供思路。
 

雌性哺乳动物泌乳期的钙代谢特点综述
 

  1、 泌乳期哺乳动物钙代谢的特点

  研究表明,雌性个体在妊娠时期既要维持自身钙代谢平衡,又要满足胎儿生长发育对钙的需求,因此平均每天要向胎儿提供30 g钙、20 g磷,其中80%以上的钙转运发生在妊娠后期;这一时期哺乳动物肠道钙吸收效率增强、肾脏钙排泄率明显升高以及骨骼释放的钙离子增加,从而补充体内钙的不足[6]。然而,雌性动物在泌乳9个月时排出的总钙量约高出妊娠期4倍,大约有80 g钙流向乳汁,20 g进入胎儿骨骼,每天通过泌乳排出的钙比妊娠期多约300 mg[7]。以哺乳期妇女为例,在哺乳期6个月内,女性的平均日产乳量为780 mL,平均每1 L乳汁中含260 mg钙[8],这意味着此时母亲每天通过哺乳排出钙为200 mg;在哺乳期7~12个月时,女性的平均日产乳量少于600 mL,平均每1 L乳汁中含200 mg钙[8],这意味着此时母亲每天通过哺乳排出的钙为120 mg。由此可见,雌性个体在整个泌乳时期损失了大量的钙,从而导致泌乳期雌性动物血清钙浓度急剧下降。同妊娠期不同的是,哺乳动物在泌乳时期肠道钙吸收效率下降,肾脏钙排泄率减少,即发生钙的肾脏保存,骨骼释放的钙离子增加[6]。

  不同物种、品系的雌性动物在泌乳期循环系统中钙水平有所差异,但是泌乳期的高泌乳需求会导致每个雌性个体血钙浓度降低,且维生素D缺乏的泌乳大鼠血钙水平下降幅度更大,由此推测维生素D可能是雌性动物在泌乳期维持血钙平衡的重要因子之一[9]。研究还发现大鼠泌乳期日粮中的钙含量与血清中钙浓度似乎没有直接关联[10]。绵羊在分娩后血清钙会暂时上升,之后随泌乳进程逐渐下降[11];山羊在泌乳期基本保持一定的血钙水平[12],女性在泌乳期的血清钙水平略有上升[13]。

  不同物种、品系雌性动物的钙调节因子(甲状旁腺激素、甲状旁腺激素相关蛋白、骨化三醇、降钙素等)在泌乳期变化不一,如小鼠泌乳期循环系统甲状旁腺激素水平受到抑制[14],而大鼠泌乳期甲状旁腺激素水平却是升高的[15],女性泌乳期甲状旁腺激素水平同样受到抑制[16]。此外,小鼠和大鼠乳腺组织中甲状旁腺激素相关蛋白的水平在泌乳期显着增加[17]。

  2、 泌乳期哺乳动物不同器官钙代谢适应性改变

  哺乳动物的肠道、肾脏、骨骼是维持体内钙平衡与钙稳态的重要场所。在哺乳动物的泌乳时期,往往由于泌乳对钙需求的急剧增加,机体需要动员全身的钙代谢器官做出适应性改变,主要包括胃肠道对钙的吸收、肾脏对钙的重吸收、骨骼钙代谢调控等过程。当机体不能及时对血钙浓度的急剧变化做出相应调节时,将出现一系列的器官钙代谢自适应功能紊乱综合征。

  2.1、 泌乳期肠道矿物质吸收效率下降

  哺乳动物的肠道钙代谢主要是指小肠段和十二指肠的钙代谢,其中整个小肠段是体内钙吸收的主要部位,十二指肠对食物中钙的吸收能力最大。肠道吸收钙的主要机制是通过肠黏膜的主动转运,部分通过扩散形式完成钙的转运[18]。

  研究表明,啮齿动物泌乳期肠道钙结合蛋白D9k、钙转运酶PMCA1、维生素D受体的表达升高[19],从而使肠吸收效率增加;大鼠泌乳期肠道磷和镁的吸收效率显着增加[20]。以上研究都证明了啮齿动物泌乳期肠道钙吸收效率是增加的。但与妊娠期肠道钙吸收效率较高相比,哺乳期妇女肠道钙吸收效率保持正常[21]。虽然哺乳期妇女通常会增加饮食中的钙摄入量,但这只会增加摄入的总钙含量和尿钙排泄,并不会影响乳中的钙含量[22]。

  2.2、 泌乳期肾脏钙排泄减少

  哺乳动物肾脏钙代谢主要是肾小管重吸收钙和肾小球滤过钙。血液中不与蛋白质结合的离子钙可从肾小球滤过进入原尿中,但其中99%的钙又可被肾小管重吸收。正常人每天经尿排泄的钙量比较恒定,为100~200 mg[1]。

  哺乳动物在泌乳时期尿钙排泄减少,尿磷排泄增加,从而保存钙以提供给乳汁充足的钙源,同时排出骨骼吸收和肠道磷吸收产生的不需要的磷[6]。与妊娠期尿钙排泄率明显升高相比,大鼠和小鼠泌乳期肾脏钙排泄较少[23]。即使在饲喂高钙饮食时,其尿钙浓度也降至低水平[12]。此外,机体维生素D、骨化三醇、甲状旁腺激素、降钙素等钙调节因子的水平都不会影响各自泌乳期小鼠模型中的尿钙排泄[24]。但小鼠泌乳期低尿钙、高尿磷的原因,很可能是甲状旁腺相关蛋白保存钙和分泌磷的生理作用导致的。类似地,大鼠、山羊和牛在泌乳期的尿磷排泄也是升高的[25]。妇女哺乳期肾小球滤过率下降,肾小管钙的重吸收增加,尿钙排泄较少[26],尿磷排泄正常或增加[27]。

  2.3、 泌乳期骨骼重吸收和骨溶解增加

  哺乳动物骨骼对钙的代谢作用依赖于成骨细胞和破骨细胞的平衡,成骨细胞形成新生骨,破骨细胞溶解陈旧骨。正常人时刻进行着成骨和破骨的活动。

  多项研究表明,哺乳动物在泌乳时期骨细胞骨溶解增加,从而动员大量的骨骼矿物质。Dubrovina[28]在小鼠妊娠期间将钙的放射性同位素固定到母体骨骼后,发现在小鼠开始泌乳后,同位素标记的钙出现在乳汁和后代仔鼠体内。组织形态学和电子显微镜结果表明,大鼠泌乳期骨小梁和皮质骨发生骨细胞骨溶解[29],而皮质骨占骨骼的90%以上。因此,推测哺乳动物在泌乳期骨骼钙代谢是母体的主要矿物质来源。此外,用双膦酸盐(具有抑制骨质吸收的作用)处理泌乳大鼠会引起母鼠低钙血症的试验也证实了骨骼矿物质吸收是维持母体泌乳期血清钙所必需的[30]。

  研究显示,与野生型泌乳大鼠相比,甲状旁腺切除的泌乳大鼠的骨骼矿物质含量并没有下降[31]。pth基因敲除的泌乳小鼠的全身、脊柱和后肢的骨损失与野生型小鼠相同。然而,当特异性敲除乳腺组织中的pthrp基因后导致小鼠泌乳期骨转换标志物减少[32],这与pthrp在雌性动物泌乳期表达上调的发现是一致的。此外,低雌二醇水平也会加重小鼠泌乳期骨质流失的速度和程度[33]。人类的研究表明,妇女哺乳期为了向乳汁中提供足够的钙和其他矿物质,骨吸收标记物和骨形成标记物的表达均显着升高[34]。这些数据证实了妇女哺乳期的骨骼吸收显着增强。

  3、 泌乳期哺乳动物矿物质和钙调节因子的变化

  3.1、 血清钙、血清磷等矿物质

  多项研究显示,小鼠和大鼠在泌乳期维持其正常血清钙的能力可能与品系、产仔数等有关。Fudge等[10]对泌乳期Black Swiss或C57BL / 6品系的小鼠饲喂1%标准钙饮食时,小鼠血清钙和离子钙无显着变化;而Laleh等[35]对泌乳期CD1品系小鼠饲喂1%标准钙饮食时,小鼠血清钙在泌乳期有一定下降;继续饲喂0.01%钙饮食时,小鼠表现为严重低钙血症。与小鼠的结果相同,大鼠产仔数越多时,母体血清钙水平越低,且突然断奶会导致大鼠血清钙在数天内回升至高血钙范围[9],这可能是钙突然停止流失到乳汁中,而骨骼吸收和肠道钙吸收仍持续增加导致的。母羊在分娩后血清钙水平先升高,后随泌乳进程下降,继续饲喂低钙饮食时,母羊血清钙水平严重下降,表现为严重低血钙[36]。

  哺乳动物泌乳期血清磷、血清镁的变化不同。Kirby等[11]研究表明,小鼠泌乳期血清磷水平保持正常或适度下降。大鼠泌乳期血清磷水平随着泌乳进程先增加后下降[37],突然断奶后,同血清钙的变化一样,血清磷水平也会升高。女性哺乳期血清钙水平正常或轻微增加,但血清磷水平显着增加,这可能是由于此时女性肠道对磷的重吸收效率保持正常,但肾小管对磷的重吸收作用增加,肾磷排泄减少以及骨骼再吸收增加造成的[38]。

  3.2、 钙调节因子

  3.2.1、甲状旁腺激素

  甲状旁腺激素(Parathyroid Hormone,PTH)由甲状旁腺主细胞合成和分泌,对维持动物体内的钙代谢平衡具有重要作用。

  研究表明,泌乳期饲喂1%钙饮食的Black Swiss和C57BL/6品系小鼠的PTH水平较低,当饲喂2%钙饮食时,小鼠泌乳期PTH水平进一步受到抑制[39]。然而,大鼠泌乳期PTH水平大幅增加,低钙饮食和多产仔数母鼠的PTH水平更高[40]。女性哺乳期PTH水平会受到产胎数、饮食中钙含量以及种族差异等很多因素的影响。在一项研究中,哺乳双胎女性的PTH水平比哺乳单胎女性要高[41]。此外,相比于北美和欧洲泌乳期饮食中钙含量充足的白人妇女,非洲和亚洲地区妇女的循环PTH水平增加更为普遍,这种增加可能是由于该地区妇女泌乳期饮食中的钙含量较低以及种族差异造成的[42]。

  3.2.2、 甲状旁腺激素相关蛋白

  甲状旁腺激素相关蛋白(Parathyroid Hormone Related Protein,PTHrP)在泌乳期雌性动物乳腺组织中表达上调,其中一些分泌到母体循环从而对乳汁成分、肠道矿物质吸收、肾脏矿物质保护和骨骼重吸收产生系统性影响[6]。

  小鼠泌乳期乳腺组织中PTHrP的mRNA和蛋白含量均大幅上调,这是因为小鼠泌乳期五羟色胺(5-HT)水平升高刺激了乳腺PTHrP的产生,同时血浆PTHrP水平显着增加[17]。同小鼠一样,大鼠乳腺组织中PTHrP的 mRNA和蛋白水平在泌乳期也是升高的[43],大鼠乳汁中的PTHrP含量在泌乳结束时达到最高值,而此时催乳素保持正常,这表明在泌乳时期催乳素对于维持PTHrP合成和分泌不是必需的[44];同时,自身因素对刺激PTHrP的产生也很重要,如对山羊的一侧乳腺挤奶会增加该腺体分泌乳汁中PTHrP的浓度,而不影响对侧腺体乳汁中PTHrP浓度[45]。哺乳妇女血液循环和乳汁中的PTHrP含量在哺乳开始后明显增加[46],这证实了乳房是PTHrP的源头。然而,泌乳期乳房产生过量PTHrP时则会引起母体高钙血症。此外,有研究表明哺乳妇女的PTHrP浓度与离子钙浓度呈正相关,与PTH呈负相关[46]。

  3.2.3、 骨化三醇

  维生素D是一种具有多种生理功能的类固醇激素。天然形式的维生素D不具有生物活性,其活性形式为1,25-二羟基维生素D3。维生素D首先在肝脏中经25-羟化酶羟基化形成2, 5–(OH)D3,然后在肾脏中经1α -羟化酶和24 -羟化酶羟基化形成骨化三醇[1, 25–(OH)2-VitD 3][47]。

  小鼠和大鼠泌乳期血清骨化三醇水平增加2倍或更多,产仔数越多或泌乳能力越好时,骨化三醇的水平越高[48]。此外,骨化三醇的增加还受饮食钙含量的影响,当饮食中钙含量为0.1%时,动物血清骨化三醇水平显着增加;而当饮食中钙含量增加至1.6%时,血清骨化三醇增加不明显[49]。妇女哺乳期骨化三醇含量通常较低[50]。哺乳期妇女和啮齿动物泌乳期骨化三醇含量差异的主要原因可能是啮齿动物增加肠钙吸收和骨骼吸收以满足哺乳期矿物质需求,而哺乳期妇女只增加骨骼吸收。

  3.2.4、 降钙素

  降钙素(Calcitonin,CT)是由甲状腺的滤泡旁细胞分泌的,位于甲状腺滤泡的基底膜内,源于胚胎期外胚层和神经脊的类似肾上腺髓质的一种激素[51],具有抑制骨骼脱钙,有效降低血钙的作用。此外,有研究表明降钙素可以减少催乳素的释放从而抑制泌乳[52]。

  大鼠泌乳期的CT水平较高[53];母羊CT水平在分娩时较低,在泌乳早期上升,之后随泌乳进程下降[54]。女性在整个哺乳时期的CT水平均较高[55]。CT抑制啮齿动物催乳素的作用在人类研究中有类似发现[6]。

  4 、小结及展望

  综上所述,雌性哺乳动物在泌乳时期既要维持自身钙代谢平衡,又要满足仔畜正常发育所需的钙,因此对钙的需求急剧升高。机体将通过降低肠道钙吸收,减少肾脏钙排泄和增加骨骼重吸收和骨溶解来响应这一需求。此外,哺乳动物体内的钙调节因子(如PTH、PTHrP、骨化三醇、降钙素等)的含量也将随着泌乳期动物的生理特点发生变化。钙代谢器官及钙调节因子共同组成了复杂的钙代谢调节网络,维持着哺乳动物泌乳期的钙代谢平衡,并为母畜钙代谢紊乱疾病的防治提供思路。

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